ITER, le plus grand tokamak au monde

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Pour imaginer récupérer de l’énergie à partir de la fusion nucléaire, il faut être capable de créer des conditions physiques similaires à celles des étoiles, et atteindre des températures de 150 millions de degrés (dix fois la température interne du Soleil). Ce défi scientifique et technologique posé aux chercheurs représente un important enjeu stratégique: la fusion pourrait devenir une nouvelle ressource d’énergie illimitée, sans risque majeur, et sans déchets hautement radioactifs à stocker. Pour cette fin, le Réacteur thermonucléaire expérimental international, ou ITER, est un projet international de réacteur nucléaire de recherche civil à fusion nucléaire de type tokamak.


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.

ITER (en latin le «chemin») est l’un des projets les plus ambitieux au monde dans le domaine de l’énergie. En France, dans le département des Bouches-du-Rhône, 35 pays sont engagés dans la construction du plus grand tokamak jamais conçu, une machine qui doit démontrer que la fusion — l’énergie du Soleil et des étoiles — peut être utilisée comme source d’énergie à grande échelle, non émettrice de CO2, pour produire de l’électricité. Des milliers d’ingénieurs et de scientifiques ont contribué à la conception d’ITER depuis que l’idée d’une collaboration internationale sur l’énergie de fusion a été lancée en 1985. Les Membres d’ITER (la Chine, l’Union européenne, l’Inde, le Japon, la Corée, la Russie et les États-Unis) se sont engagés dans une collaboration de trente-cinq ans pour construire et exploiter l’installation expérimentale ITER.

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Les résultats du programme scientifique d’ITER seront décisifs pour ouvrir la voie aux centrales de fusion électrogènes de demain. ITER sera la première installation de fusion capable de produire une quantité d’énergie nette. La machine réalisera des décharges de plasma de longue durée et testera également, pour la première fois, les technologies, les matériaux, ainsi que les régimes de plasma requis pour produire de l’électricité dans une perspective commerciale. Un réacteur de démonstration pourra être conçu sur la base de ce retour d’expérience. ITER sera le plus grand tokamak au monde — deux fois la taille de la plus grande machine en opération, avec un volume de plasma dix fois plus grand. Le programme scientifique détaillé peut être consulté sur la page du projet.

Qu’est-ce que la Fusion?

La fusion nucléaire est une réaction physique qui se déroule au cœur des étoiles : des noyaux atomiques fusionnent, dégageant l’énergie à l’origine de la lumière et de la chaleur qu’émettent les étoiles. Les quantités d’énergie libérée sont très importantes, ce qui pousse les scientifiques à chercher le moyen d’exploiter la fusion comme nouvelle source d’énergie durable, puisque les matières premières nécessaires sont pratiquement illimitées. Le noyau des atomes est composé de neutrons et protons, qui tiennent ensemble grâce à la force la plus intense de la nature: l’interaction forte, responsable de «l’énergie de liaison nucléaire».

Cette énergie peut être libérée de deux façons: soit en cassant des noyaux lourds: c’est ainsi que fonctionne une centrale nucléaire actuellement; soit en fusionnant des noyaux légers : ce qui se passe dans les étoiles. La fusion est la source d’énergie qui alimente le Soleil et les étoiles. Dans les conditions de pression et de température extrêmes qui règnent au cœur de ces corps stellaires, les noyaux d’hydrogène entrent en collision et fusionnent pour former des atomes d’hélium et libérer de considérables quantités d’énergie au cours de ce processus. De toutes les réactions de fusion possibles, c’est la réaction entre le deutérium et le tritium (deux isotopes de l’hydrogène) qui se révèle la plus accessible en l’état actuel de notre technologie.

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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 de particules suffisante pour produire le plus grand nombre de collisions possibles, et un temps de confinement de l’énergie suffisamment long pour que les collisions se produisent avec la plus grande vitesse possible.  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. Dans un tokamak, des champs magnétiques très puissants sont mis en œuvre pour confiner et contrôler le plasma. Consulter la section Science pour en savoir plus sur la fusion et les plasmas.

Les objectifs d’ITER

La quantité d’énergie de fusion qu’un tokamak peut produire dépend du nombre de réactions de fusion qui se produisent en son cœur. Plus l’enceinte est grande (et donc également le volume de plasma) plus grand sera le potentiel de production d’énergie de fusion. Avec un volume de plasma dix fois supérieur à celui de la plus grande machine de fusion opérationnelle aujourd’hui, le tokamak ITER sera un outil expérimental unique, capable de générer des plasmas de longue durée. La machine a été spécifiquement conçue pour:

1) Produire 500 MW de puissance de fusion pendant 400 s: Le record de puissance de fusion produite est détenu par le tokamak européen JET. En 1997, ce tokamak a généré 16 MW de puissance de fusion pour une puissance de chauffage totale de 24 MW. Ce ratio (ou «Q ») de 0,67 devrait être porté à 10 par ITER—500 MW de puissance de fusion pour une puissance en entrée de 50 MW, pendant des périodes de 400 à 600 s, la première machine capable de produire une une quantité d’énergie nette. ITER étant une machine expérimentale qui ne fonctionnera pas de manière continue, l’énergie produite ne sera pas convertie en électricité. Cette étape sera réalisée par la machine qui lui succédera.

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2) Démontrer le fonctionnement intégré des technologies d’une centrale de fusion électrogène: ITER marque la transition entre les dispositifs de fusion expérimentaux actuels et les démonstrateurs industriels du futur. Avec cette machine de très grande taille, les scientifiques pourront étudier les plasmas dans les conditions qui seront celles d’une centrale de fusion électrogène et tester des technologies telles que le chauffage, le contrôle, le diagnostic, la cryogénie et la télémaintenance.

3) Réaliser un plasma deutérium-tritium auto-entretenu : La recherche sur la fusion se trouve aujourd’hui au seuil de l’exploration du « plasma en ignition — un plasma au sein duquel la chaleur de la réaction de fusion demeure confinée de manière suffisamment efficace pour entretenir une réaction de longue durée. ITER sera la seule installation de fusion au monde capable de produire un plasma en combustion, offrant ainsi aux scientifiques l’opportunité unique de faire avancer la science.

4) Expérimenter la production de tritium: Dans une phase d’exploitation ultérieure, l’une des missions d’ITER consistera à démontrer la faisabilité de la production de tritium au sein même de l’enceinte à vide. L’inventaire mondial de tritium (utilisé avec le deutérium pour alimenter la réaction de fusion) n’est en aucun cas suffisant pour couvrir les besoins des futures centrales de fusion électrogènes. ITER offrira l’opportunité unique de tester des maquettes de couvertures « tritigènes » dans l’environnement d’un réacteur de fusion.

5) Démontrer la sûreté d’un dispositif de fusion: Une étape importante dans l’histoire de la fusion a été franchie en 2012 quand ITER Organization, après un examen rigoureux de ses dossiers de sûreté, a obtenu l’autorisation de création de l’installation nucléaire ITER et en est devenu l’opérateur nucléaire. L’un des principaux objectifs d’ITER est de démontrer que les réactions de fusion qui se produisent au sein du plasma sont sans impact sur les populations et l’environnement.

Les différentes phases d’ITER

La construction de l’installation ITER a été lancé en 2010. En parallèle, les membres d’ITER ont signé des contrats de fourniture pour les composants et les systèmes dont ils avaient la responsabilité et suivi de très près leur fabrication, souvent très complexe. L’arrivée des équipements s’accélère sur le site ITER et au mois de juillet 2020, le programme est officiellement entré dans la phase d’assemblage. Pendant la première phase d’assemblage, les éléments fournis par les membres d’ITER sous forme de contributions en nature seront assemblés selon des séquences prédéfinies. Viendra ensuite une phase de tests durant laquelle il faudra s’assurer que tous les systèmes fonctionnent de manière coordonnée et préparer la machine pour réaliser le premier plasma au mois de décembre 2025.

La phase d’exploitation devrait durer vingt ans. Lors d’une période de mise en route qui s’étendra sur plusieurs années, la machine ne mettra en œuvre que de l’hydrogène et demeurera accessible pour les interventions de réparation. Cette phase permettra de tester les régimes physiques les plus prometteurs. Elle sera suivie d’une période de fonctionnement avec un combustible combinant du deutérium et une petite quantité de tritium pour tester les dispositifs de protection. Enfin, les ingénieurs lanceront une troisième phase durant laquelle la machine fonctionnera de plus en plus fréquemment à plein régime, avec un mélange à parts égales de deutérium et de tritium. La puissance de fusion sera alors portée à son maximum.

L’après-ITER

La conception du programme ITER est le fruit de plusieurs décennies de recherche sur la physique des plasmas et la technologie des machines de fusion. Le retour d’expérience d’ITER permettra de concevoir un réacteur de démonstration (DEMO, de l’anglais Demonstration Power Plant), qui portera la fusion au seuil de la phase industrielle. Les connaissances et le savoir-faire accumulé par l’exploration des plasmas de haute température dans le tokamak ITER seront mis à profit pour concevoir la machine qui permettra de tester le fonctionnement en régime continu tout en démontrant la capacité d’autosuffisance en tritium.

Le terme DEMO décrit plus une phase qu’une machine. Différents projets DEMO, à l’étape conceptuelle, sont aujourd’hui étudiés par les membres d’ITER et il est trop tôt pour dire si DEMO sera le fruit d’une collaboration internationale comme ITER ou s’il procédera de choix nationaux. Le travail conceptuel en cours, devrait se poursuivre tout au long des premières années d’exploitation de la machine ITER afin de tirer le meilleur parti du retour d’expérience. L’exploitation de ou des DEMO devrait commencer au début des années 2030; la commercialisation d’électricité issue de la fusion étant prévue à l’horizon 2040.

DEMO est l’installation qui, la première, fournira au réseau une électricité issue d’une machine de fusion. Les principaux objectifs de la phase DEMO sont l’extrapolation d’une exploitation continue ou quasi-continue (steady state), l’étude de systèmes de production d’énergie efficaces, l’obtention d’un rapport puissance injectée/puissance générée («Q») de 30 à 50 (par rapport à Q ≥ 10 pour ITER) et la production de tritium au sein de l’enceinte. La conception du réacteur DEMO sera sans doute beaucoup plus simple que celle d’ITER: les systèmes de diagnostics seront beaucoup moins nombreux et la conception sera axée sur la production d’énergie plus que sur l’exploration des régimes de plasma.

Tout au long de phase de construction d’ITER et de conception de DEMO, d’autres installations, aux caractéristiques et aux objectifs différents, seront exploitées dans une perspective de développement des matériaux avancés, de l’autosuffisance en tritium et de l’évacuation de la chaleur. Ainsi, le programme de l’International Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF) est en cours au Japon dans le cadre d’une collaboration avec l’Europe («Approche Élargie», ci-dessous). Ce programme permettra de tester et de qualifier les matériaux avancés indispensables à la construction d’une centrale de fusion industrielle.

Au-delà de DEMO, l’étape finale consistera à construire un réacteur conçu pour produire de l’électricité de manière économiquement compétitive — une décision qui procédera du libre choix politique dans chacun des pays impliqués. Dans tous les cas, il est raisonnable d’envisager que la production d’électricité issue de l’énergie de fusion sera une réalité dans la deuxième moitié de ce siècle.

«Approche élargie»

En parallèle à l’Accord ITER, la Communauté européenne de l’énergie atomique (Euratom) et le gouvernement japonais ont signé un accord baptisé «Approche élargie», portant sur un programme de recherche et de développement complémentaire. Signé en février 2007, cet accord établit le cadre dans lequel un programme de recherche et de développement complémentaire sera mené pour soutenir ITER et la prochaine machine DEMO pendant une période de dix ans.  Trois projets ont ainsi été lancés dans les domaines suivants: tests de matériaux, expériences et simulations avancées du plasma et mise en place d’une équipe de conception chargée de l’étude d’un réacteur de démonstration DEMO appelé à succéder à la machine ITER.

Les projets inclus dans l’approche élargie s’inscrivent en complément de tout ce qui est entrepris à travers le monde pour réaliser ITER. Ces projets sont d’une importance capitale pour la maîtrise de l’énergie de fusion. Pour plus d’informations sur l’Approche élargie, voir Fusion for Energy. La date du Premier Plasma est fixée au mois de décembre 2025. La construction des bâtiments de l’installation scientifique a débuté au cours de l’été 2010 sur une plateforme de 42 hectares dans les départements des Bouches-du-Rhône. Les travaux de génie civil du Complexe tokamak—au centre de l’installation—ont commencé en 2014. C’est dans cet édifice, constitué de trois bâtiments, que se dérouleront les expériences de fusion. De manière progressive, à partir de 2020, ITER Organization procédera à l’intégration et à l’assemblage des différents éléments de la machine. Une phase d’essais, destinée à vérifier que l’ensemble des systèmes fonctionne de manière satisfaisante, préparera la machine en vue de son exploitation.

La réussite de l’intégration et de l’assemblage de plus d’un million de composants (dix millions de pièces) fabriqués dans les usines des Membres d’ITER dans le monde entier et acheminés vers le site d’ITER représente un défi logistique et d’ingénierie extraordinaire. Le premier évènement majeur de la phase d’assemblage a été mené avec succès au mois de mai 2020 : l’installation de la base du cryostat (un composant en acier de 1 250 tonnes). Toutes les séquences des opérations d’assemblage de la machine qui vont suivre ont été définies et coordonnées avec soin dans les différents bureaux d’ITER à travers le monde.

Au mois de novembre 2017, ITER Organization a officiellement annoncé aux gouvernements des pays membres du programme que 50% de l’ensemble des activités indispensables pour produire le « premier plasma » avait été réalisé. (Plus d’informations ici.) Au mois de juillet 2020, le programme a officiellement lancé la phase d’assemblage de la machine. (Plus d’informations ici.) Aujourd’hui, le programme a finalisé 75,3% des tâches indispensables à la production du premier plasma (octobre 2021).

Qui participe dans le programme ITER?

Le programme ITER est issu d’une collaboration à l’échelle mondiale dans laquelle 35 pays sont engagés. Les membres d’ITER (la Chine, l’Union européenne, l’Inde, le Japon, la Corée, la Russie et les États-Unis) ont mis en commun leurs ressources pour réaliser une grande ambition : reproduire sur Terre l’énergie illimitée qui alimente le Soleil et les étoiles. L’Accord ITER, conclu par les signataires en 2006, stipule que les sept Membres partagent le coût de la construction, de l’exploitation et du démantèlement de l’installation. Ils partageront également les résultats expérimentaux ainsi que toute propriété intellectuelle générée par la phase d’exploitation, prévue de 2022 à 2042.

L’Europe assume la plus grande partie du coût de construction (45,6 %) de l’installation; la part restante est assumée de manière égale par la Chine, l’Inde, le Japon, la Corée, la Russie et les États-Unis (9,1 % chacun). La contribution des Membres se fait essentiellement « en nature », sous forme de fourniture de bâtiments, pièces et systèmes à ITER Organization. Les Membres d’ITER représentent trois continents, plus de 40 langues, la moitié de la population de la planète et 85 % de la production de richesse mondiale. Dans les bureaux d’ITER Organization à Saint-Paul-lez-Durance (13) ; dans les agences domestiques créées par les Membres d’ITER ; dans des laboratoires et dans l’industrie des milliers de personnes sont engagées dans le programme ITER.

ITER Organization a également conclu deux accords de coopération technique avec des pays non-Membres—l’Australie en 2016 (au travers l’agence australienne pour la science et la technologie ANSTO) et le Kazakhstan en 2017 (au travers le centre nucléaire national du Kazakhstan)—ainsi qu’un protocole d’entente avec le Canada (pour explorer les possibilités de coopération), un accord de coopération avec l’Institut de technologie nucléaire thaïlandais, et plus de 70 accords de coopération avec des organisations internationales, des laboratoires nationaux, des universités et des écoles des pays membres. Se reporter à la page Membres pour afficher les liens vers les sept agences domestiques.

Les grandes étapes d’ITER

Se reporter à la section Les Grandes Dates pour voir une sélection de dates importantes menant à la réalisation du Premier Plasma. Pour en savoir plus, se reporter aux pages Le Chantier et Assemblage. Retenons, dans l’ensemble:

– 2005 : Choix du site de Saint-Paul-lez-Durance (Bouches-du-Rhône).
– 2006 : Signature de l’Accord ITER.
– 2007 : Création d’ITER Organization.
– 2007-2007 : Préparation de la plateforme (déboisement, nivellement).
– 2010-2014 : Fondations du Complexe tokamak.
– 2012 : Un décret officiel autorise ITER Organization à créer l’Installation nucléaire de base (INB) ITER.
– 2014-2021 : Construction du Bâtiment tokamak (accès dès 2019 pour les premières opérations d’assemblage).
– 2010-2021 : Construction de l’installation ITER et des bâtiments auxiliaires nécessaires au Premier Plasma.
– 2008-2021 : Fabrication des principaux éléments et systèmes pour le Premier Plasma.
2015-2023 : Transport (via l’Itinéraire ITER) et livraison sur site des éléments.
2020-2025 : Assemblage phase I.
– 2022 : La chambre à vide est formée.
– 2024 : Fermeture du cryostat.
– 2024-2025 : Tests intégrés et mise en exploitation.
– Déc 2025 : Premier Plasma.
– 2025-2026 : Montée en puissance progressive de la machine.
– 2035 : Opération en deuterium-tritium.

Quand commencerons les expériences?

La date du Premier Plasma est fixée au mois de décembre 2025. La construction des bâtiments de l’installation scientifique a débuté au cours de l’été 2010 sur une plateforme de 42 hectares dans les départements des Bouches-du-Rhône. Les travaux de génie civil du Complexe tokamak—au centre de l’installation—ont commencé en 2014. C’est dans cet édifice, constitué de trois bâtiments, que se dérouleront les expériences de fusion.

De manière progressive, à partir de 2020, ITER Organization procédera à l’intégration et à l’assemblage des différents éléments de la machine. Une phase d’essais, destinée à vérifier que l’ensemble des systèmes fonctionne de manière satisfaisante, préparera la machine en vue de son exploitation. La réussite de l’intégration et de l’assemblage de plus d’un million de composants (dix millions de pièces) fabriqués dans les usines des Membres d’ITER dans le monde entier et acheminés vers le site d’ITER représente un défi logistique et d’ingénierie extraordinaire. Le premier évènement majeur de la phase d’assemblage a été mené avec succès au mois de mai 2020 : l’installation de la base du cryostat (un composant en acier de 1 250 tonnes). Toutes les séquences des opérations d’assemblage de la machine qui vont suivre ont été définies et coordonnées avec soin dans les différents bureaux d’ITER à travers le monde.

Au mois de novembre 2017, ITER Organization a officiellement annoncé aux gouvernements des pays membres du programme que 50% de l’ensemble des activités indispensables pour produire le « premier plasma » avait été réalisé. (Plus d’informations ici.) Au mois de juillet 2020, le programme a officiellement lancé la phase d’assemblage de la machine. (Plus d’informations ici.) Aujourd’hui, le programme a finalisé 75,3% des tâches indispensables à la production du premier plasma (octobre 2021).

Pour aller plus loin : ITER.

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