Tokamak : définition

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Un tokamak est une machine capable de créer et confiner un plasma chaud à près de 150 millions de degrés, dans une cage magnétique, en forme d’anneau. C’est en quelque sorte un four qui permet de créer un plasma et de le maintenir en son cœur grâce à des champs magnétiques très puissants.

Le tokamak est une machine expérimentale conçue pour démontrer la faisabilité scientifique et technique de l’énergie de fusion. ITER sera la plus grande installation de ce type au monde, avec un grand rayon de plasma de 6,2 m et un volume de plasma de 840 m³. © ITER.


On produit de l’électricité en utilisant l’énergie des combustibles fossiles, des réactions de fission nucléaire, ou celle des ressources renouvelables, comme l’eau ou le vent. Quelle que soit la source d’énergie, les centrales génèrent de l’électricité en transformant une puissance mécanique, comme la rotation d’une turbine, en puissance électrique. Dans le cas des énergies fossiles et de l’énergie nucléaire, la chaleur produite transforme l’eau de refroidissement en vapeur, laquelle actionne des turbines qui produisent de l’électricité par l’entremise d’un alternateur.

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Le tokamak est une machine expérimentale conçue pour exploiter l’énergie de la fusion. Dans l’enceinte d’un tokamak, l’énergie générée par la fusion des noyaux atomiques est absorbée sous forme de chaleur par les parois de la chambre à vide. Tout comme les centrales électrogènes classiques, une centrale de fusion utilisera cette chaleur pour produire de la vapeur, puis, grâce à des turbines et à des alternateurs, de l’électricité. Dans un tokamak, les bonnes propriétés de confinement du plasma (c’est-à-dire la qualité de la «cage magnétique») sont obtenues en imposant une forme d’hélice aux lignes de champ magnétique. Cet enroulement est obtenu en superposant le champ magnétique fourni par des bobines entourant le plasma (les bobines magnétiques toroïdales) et celui fourni par un fort courant électrique circulant dans le plasma lui-même. Ce courant est induit dans le plasma par “effet transformateur”, le circuit primaire dudit transformateur étant la bobine magnétique centrale et le circuit secondaire le plasma.

Comment Ça Marche?

Le cœur du tokamak est constitué d’une chambre à vide en forme d’anneau.  À l’intérieur, sous l’influence d’une température et d’une pression extrêmes, le gaz d’hydrogène se mue en plasma — un gaz chaud électriquement chargé. Dans les étoiles, comme dans les machines de fusion, les plasmas constituent un milieu dans lequel les atomes d’hydrogène peuvent fusionner et générer de l’énergie. Les particules qui composent le plasma, électriquement chargées, peuvent être confinées et contrôlées par les imposantes bobines magnétiques placées autour de l’enceinte. On tire parti de cette propriété pour maintenir le plasma chaud à l’écart des parois de l’enceinte.

Infographie: Fusion nucléaire par confinement magnétique © CEA.

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Le principe de fonctionnement d’un réacteur électrogène sera proche de celui d’un réacteur expérimental. Néanmoins, comme dans une centrale thermique fonctionnant au gaz, le réacteur de fusion devra être alimenté en continu en combustible deutérium (D)-tritium (T). Le deutérium est largement présent sur Terre mais ce n’est pas le cas du tritium. Celui-ci sera produit à l’intérieur de la machine à partir d’une «couverture tritigène» constituée à base de lithium (Li). Sous l’effet des neutrons issus de la réaction de fusion, le lithium génèrera suffisamment de tritium pour compenser celui qui aura été «brûlé» par les réactions de fusion.

Un système de pompage et de séparation isotopique permettra de récupérer le deutérium et le tritium pour les réinjecter dans le système. Le réacteur sera ensuite couplé à un circuit alimenté par un fluide caloporteur, qui transportera la chaleur produite par la fusion jusqu’à un générateur de vapeur qui, à son tour, alimentera les turbines pour produire de l’électricité, comme c’est le cas dans les réacteurs nucléaires et les centrales électriques à gaz d’aujourd’hui. Tout autour de la chambre centrale un grand nombre de systèmes — chauffage, mesure, cryogénie, refroidissement, alimentation en combustible, vide et alimentation électrique — œuvreront de manière coordonnée pour créer les conditions nécessaires à la fusion.

Tokamak versus stellerator

Le tokamak est le principal système de fusion étudié dans le Monde en vue de produire de l’énergie. Mais certains groupes scientifiques explorent d’autres principes pour atteindre les conditions de fusion. Ainsi, à l’Institut Max Planck de physique des plasmas (Garching, Allemagne), le montage d’un stellerator baptisé W7X a été achevé en 2014.  Dans un stellerator, la matière est également confinée dans des champs magnétiques en forme d’hélice, avec l’avantage par rapport au tokamak de ne pas nécessiter la présence d’un fort courant électrique dans le plasma.

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Le stellerator est donc un dispositif intrinsèquement stationnaire ce qui n’est pas le cas du tokamak. En effet, dans le tokamak, l’effet “transformateur” ne peut maintenir le courant dans le plasma que durant un temps limité (quelques heures dans un réacteur) et pour rendre le tokamak stationnaire, il faut faire appel à une physique complexe, celle de la génération non inductive de courant. Toutefois, la forme des aimants dans un stellerator est d’une très grande complexité et leur réalisation pour un réacteur constitue un défi technologique plus important encore que pour un tokamak.

Pour aller plus loin

Voir lapublication : S.V. Mirnov (2019). “Tokamak evolution and view to future”. Nuclear Fusion, Volume 59, Number 1. DOI : 10.1088/1741-4326/aaee92 .

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