Fusion nucléaire, l’exemple d’ITER
ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, signifiant également « le chemin » en latin) est un programme et défi scientifique sans précédent auquel participent 35 nations.
Son objet est de réaliser des expériences de fusion nucléaire contrôlée à des niveaux jamais atteints (puissance, durée) et d’en comprendre la dynamique.
Le tokamak ITER est la première machine à disposer de la taille et des équipements indispensables à cette démonstration (« tokamak » est l’acronyme russe de « TOroidalnaya KAmera i MAgnitnaya Katushka », chambre toroïdale et bobines magnétiques).
La recherche sur la fusion de l’hydrogène a énormément progressé au cours des dernières décennies pour aboutir au programme international ITER dont les objectifs sont les suivants :
- démontrer que la fusion peut être utilisée pour produire de l’énergie
- fournir les données nécessaires pour concevoir et exploiter une machine qui préfigurera les centrales industrielles et produira de l’électricité (projet de réacteur DEMO).
Par ailleurs, ces dernières années, de nombreuses startups ont été créées pour proposer des concepts alternatifs.
Le but à long terme est de créer des réacteurs capables de fonctionner en régime stable en toute sûreté, respectueux de l’environnement et économiquement viables.
Le programme ITER permettra aux scientifiques d’étudier, pour la première fois, la physique d’un plasma en combustion, partiellement chauffé par les réactions de fusion internes et entretenu pendant des temps « longs » (supérieurs à des centaines de secondes).
Dans un tokamak, trois conditions doivent être remplies pour obtenir des réactions de fusion : une température très élevée (de l’ordre de 150 millions de degrés Celsius), une densité suffisante pour produire le plus grand nombre de collisions possibles, et un temps de confinement de l’énergie suffisamment long.
Lorsqu’un gaz est porté à très haute température, les atomes se dissocient : les électrons et les noyaux sont séparés les uns des autres et le gaz se transforme en plasma (quatrième état de la matière).
C’est dans ce milieu que les noyaux légers peuvent fusionner et générer de l’énergie. Celle-ci est principalement (80%) emportée par les neutrons issus de la réaction.
D’où le besoin d’écran neutronique et de protection gamma avec des matériaux dédiés.
Ces matériaux doivent par ailleurs être mis en œuvre dans des environnements contraints (risque séisme, risque incendie, masse, décontamination…) pour lequel la recherche d’un compromis est recherché.
ITER, le plus grand tokamak jamais construit
Du fait de ses dimensions—840 m3 de plasma dans le cœur de la machine (30 m x 30 m), une masse totale de 23 000 tonnes—le tokamak ITER sera le plus puissant tokamak jamais construit.
Les rayonnements radiatifs générés autour du tokamak nécessitent la mise en œuvre d’écrans afin d’une part de respecter les objectifs de radioprotection (zonage radiologique, principe ALARA*) et d’autre part de limiter l’environnement radiatif pour des enjeux de qualification des systèmes.
Le Complexe tokamak, qui abrite la machine et ses équipements annexes, repose sur des patins parasismiques. Il est donc nécessaire de respecter une stricte limitation de poids au m2. Pour atteindre cet objectif les ingénieurs ont décidé de rechercher la meilleure combinaison possible. Créer des matériaux neutrophages dans la famille des mortiers : légers et riches en hydrogène.
Améliorer la radioprotection tout en limitant la masse, ITER se tourne vers Lemer Pax
ITER a décidé de renforcer ses moyens de radioprotection, autour du tokamak. Le département sûreté nucléaire d’ITER a établi une liste des requis initiaux et a présenté sa feuille de route à Lemer Pax. Il s’agissait de développer des matériaux d’une part fortement hydrogénés, notamment pour ralentir puis piéger les neutrons avec du bore, et d’autre part se protéger du rayonnement gamma émis, tout en considérant d’autres contraintes.
En d’autres termes, améliorer la radioprotection tout en limitant la masse, en conservant une bonne tenue au feu et une densité proche de 1 : tels ont été les principaux marqueurs de la demande.
Cette problématique a été communiquée lors d’une rencontre entre les deux équipes, le 23 avril 2021. Sur cette base et dans le temps imparti, Lemer Pax a trouvé des formulations adaptées et a développé, à travers la gamme Novashield® HE (Haute Efficacité), des matériaux plus performants en matière de radioprotection.
Ces nouveaux matériaux hydrogénés, neutrophages et résistants au feu, conservent leurs performances de radioprotection en cas d’incendie, et ont été mis au point pour répondre à l’ensemble des besoins du secteur nucléaire.
Leur usage est préconisé en phase de conception pour renforcer la protection neutron et gamma du plafond du tokamak d’ITER, sur une épaisseur de plusieurs dizaines de cm et plusieurs centaines de m2. Ces solutions techniques sont destinées à la fusion comme à la fission.
De ces recommandations, sont nés deux nouveaux matériaux le Mortier Boré 075 et le Polybore HE 105 pour prendre en compte principalement des émissions neutroniques.
LES RÉSULTATS :
LE GOLDEN MATERIAL !
- Matériaux hydrogénés et neutrophages
- Respect des standards de sécurité incendie
- Faible densité
- Stabilité thermique à 300°C
Fort de cette recherche en amont, Lemer Pax a contribué à proposer des solutions pour répondre au besoin d’ITER en phase de conception. Lemer Pax est prêt à accompagner le programme dans le développement et l’installation de ces solutions pour contribuer à relever les challenges d’ITER.
