La fusion thermonucléaire

Construction d’ITERDesign de DEMO

Power PlantProf. B WeyssowULB CP231

Association EURATOM-Etat Belge pour la fusion

bweyssow@ulb.ac.be

Quel avenir pour le nucléaire ?École polytechnique de Bruxelles Alumni Tuesday, March 12, 2013 at 7:00 PM (PDT)

Qu’est ce que la fusion thermonucléaire?

Dans le cas qui nous intéresse il s’agit de combiner ensemble deuxatomes d’hydrogène (2 noyaux légers) pour former un atomed’helium (noyau plus lourd). Cette réaction dégage une grandequantité d’énergie.

Deutérium + Deutérium → (Hélium 3 + 0,82 MeV) + (neutron + 2,45 MeV) Deutérium + Deutérium → (Tritium + 1,01 MeV) + (proton + 3,03 MeV) Deutérium + Tritium → (Hélium 4 + 3,52 MeV) + (neutron + 14,1 MeV) Deutérium + Hélium 3 → (Hélium 4 + 3,67 MeV) + (proton + 14,7 MeV)

Pour que cela arrive, les atomes d’hydrogène doivent être chauffés à de très hautes températures (100 million de degré) de telle sorte qu’ils soient ionisés (formant un plasma ) et ont suffisamment d’énergie pour fusionner, puis pour être maintenus ensemble cad confinés, pendant un temps suffisamment long pour que la réaction de fusion ait lieu.

Pour caractériser cette situation on utilise le critère [un minimum] de Lawson (1957)

La valeur minimale de densité électronique * la durée de confinement de l'énergie en fonction de la température.

Pour la réaction DT, le minimum de neτE est proche de la température de 25 keV(300 millions de kelvins).

On earth the options are: Inertial fusion or magnetic confinementLe critère de Lawson s’applique dans les deux cas

JET Tokamak, both before and during operation. Photo: EFDA, JET

Principe du Tokamak

Confinement du plasma (noyaux de D/T + electrons) par un champ magnétique

En première approximation les particules chargées suivent les lignes de champ magnétique

=> En créant des surfaces magnétiques fermées on confine le plasma.

En seconde approximation (champ électrique, gradient de B, courburede B), les particules ne restent pas dans les surfaces magnétiques, ellesdérivent.

=> Déconfinement (i.e. temps de confinement)

Autres machines à confinement magnétiqueRFP, Stellarator (Wendelstein 7-X), Spherical tokamaks

Achievements Since the 60th

ITER point on the self-ignition curve to be demonstrate: mainly physics issues. Needed results have been obtained for all the critical parameters (density, temperature, pressure, currents,…) but individually.

Note: Only trace tritium experiments have been performed.

But work still ongoing on plasma scenarios.

Organisation du programmefusion (EU)

• Association Euratom pour la fusion – i.e. les laboratoires• EFDA - European Fusion Development Agreement ,

organisation qui chapeaute les laboratoires de recherche en fusion

• F4E – Fusion for Energy, entité légale qui organise la contribution EU à ITER (essentiellement contrats de fabrication) == Broader approach (EU-JP) + DEMO

• ITER - International Thermonuclear Experimental Reactor

• Utilisation collective du tokamak JET

• Coordination renforcée entre les lab EU en physique et technologie

• Formations

• Contributions aux collaborations internationaleshors F4E

Tous les Laboratories/Institutions EU travaillant sur la Fusion font partie d’EFDA

EFDA

Compass

JET ITER-like wall experiment

ITER

100m2 Tungsten• Low erosion • high melting T • Negligible T retention

Optimise lifetime & T- retentionBut high Z & melting

700m2 Beryllium first wall• low Z• Oxygen getter

Optimise plasma performanceBut large erosion & melting

50 m2 Graphite CFC• Low Z• No melting in transients• Superior heat shock behaviourOptimise heat flux resistanceBut large erosion & T retention

W

CFC

JET

Installation sur JET pendant l’année2010

JET ITER-like wall project

Standard Tokamak operation relies on the H-mode where improved confinement comes from the edge pressure gradient

distance from axis

pre

ssu

re

L-mode

pedestal

H-mode

With additional power:

Steep edge pressure gradient: H-mode scenario

Separatrix

X-point

Divertor

distance from axis

EFDA Transport Topical GroupTop Priority: edge transport barrier

Most important physics questions revolve around the edge transport barrier

Physics: turbulence, mhd, …

Material science: defects, migration, dust formation

R. Pippan et al.

Recrystallisation resistance is unacceptably low

New alloys are being developed : WW--Ti, WTi, W--V for structural V for structural applications, Wapplications, W --YY22OO33, W, W--TiCTiC for armour.for armour.

Recrystallisation & GrainRecrystallisation & Grain --Growth Mechanisms are essentialGrowth Mechanisms are essential

W WL10 W26Re

Loss

of F

ract

ure

Tou

ghne

ss

835 0CInitial

Microstructure Non-Affected

1200 0CUnacceptable

Recrystallisation

Annealing 1 hour

Increase of Fracture Toughness

W & W-alloy Development for PFC: Structure, Heat Sink, Armour

Fuel

T doit donc être généré dans le tokamak.

ITER va tester les concepts de “breeding blanket”. Les neutrons produits par les réactions de fusion sont absorbés par le blanket et y produisent des réactionnucléaires avec du Lithium pour produirele tritium.

D: par distillation de l’eau de mer(Un litre d'eau de mer contient 33 milligrammes de deutérium )

T: radioactif, ½ vie très courte, mais produit par interaction d’un neutron avec du Lithium. Stock: approx. 20kg produits par des réacteurs nucléaires de type Candu (Canada, Roumanie)

A Tokamak Fusion Reactor: In-Vessel Components

MeVHeTLin 78.446 ++→+

• Extract the power deposited by the 14 MeV fusion neutrons to produce energy

• Produce tritium using the following nuclear reaction with 6Li

• Exhaust of the alpha particles and impurities from the plasma

• Contribute to shield the vacuum vessel & super-conductive coils of the magnets

Divertor

Tritium Breeding Blankets

Energie produite

L’énergie thermique, transportée par l’Heliumproduit par la réaction de fusion est pompéepour produire de l’énergie electrique.

Une partie de l’énergie électrique produite serviraau fonctionnement du Tokamak et aux systèmesannexes (Usine du Tritium testée sur ITER). Le reste sera envoyé sur le réseau.

Cost of electricity (énergie électrique envoyée sur le réseau)

� System studies, eg. PROCESS code in Fusion Power Plan studies show:

� CoE depends more heavily on operational andengineering parameters than on physics variables:

3.04.04.05.06.0 11

)1

( CoEGWNeth NPA ββββηηηη

∝∝∝∝

Thermodynamic efficiency

Physics - high ββββ, high density

Availability

Net electrical power

D J Ward, CCFE EFDA-RP-RE-5.0[2004]

� Thus technology development is more important than physicsdevelopment at the DEMO Stage.

� However the physics

� determines if the scenario is basically feasible/attractive

� scenario interacts with the technology as a key selectioncriterion (via the Divertor and the H&CD)

ITERInternational Thermonuclear Experimental Reactor

Ce projet estdestiné à vérifier la « faisabilitéscientifique et technique de la fusion nucléairecomme nouvelle source d’énergie».

Le prototype ITER ne produira pas d'électricité, mais de la chaleur.L'équation Q ≥ 10 symbolise l'objectif scientifique du programme ITER : produire dix fois plus d'énergie que la machine n'en aura reçu. Conçu pour produire 500 MW d'énergie de fusion à partir d'un apport externe de 50 MW,

En construction à proximité de Cadarache (France).

ITER construction

Mars 2013

Timeline & Budget: ITER

Le budget, initialement estimé à 10 milliards d'euros (50 % pour la construction et 50 % pour l'exploitation)

Estimé aujourd’hui à 13 milliards d'euros partagés pa r les 7 membres (représentant 34 pays).

Predicted: End of project.2038

Predicted: Start of deuterium-tritium operation.2027

Predicted: Achievement of first plasma .2020

Predicted: Tokamak assembly completion, start torus pumpdown.2019

Predicted: Tokamak assembly start.2015

Predicted: Tokamak complex construction start.2013

Tokamak complex excavation start.2010

Site preparation completion.2009

Site preparation start, ITER itinerary start.2008

Seven participants formally agreed to fund the creation of a nuclear fusion reactor.

2006-11-21

EU Fusion Roadmap• Horizon 2020 (2014-2020 ) with five objectives

– Construct ITER within scope, schedule and cost;

– Secure the success of future ITER operation;

– Prepare the ITER generation of scientists, engineers and operators;– Lay the foundation of the fusion power plant ;

– Promote innovation and EU industry competitiveness.

• - Second period (2021-2030):– Exploit ITER up to its maximum performance and prepare DEMO construction .

• - Third period (2031-2050):– Complete the ITER exploitation; construct and operate DEMO.

EU DEMO is the only step between ITER and a commerc ial fusion power plant:- Produce net electricity for the grid at the level of a few hundred MWs;- Breed the amount of tritium needed to close its fu el cycle; and- Demonstrate all the technologies for the construct ion of a commercial FPP, including an adequate level of availability.

towards DEMO

Facilities for Plasma R&D• Confinement• Impurity Control• Plasma Stability• ITER/DEMO Physics Support

Components• SC Magnets• Tritium Handling System• Plasma Facing Compts.• Remote Mainten. System• Heating System• Safety• Test Blanket Modules

ITERITER DEMODEMO

IFMIFIFMIF

Structural MaterialsAnd T breeding

TBMTBM

JETJET JT60SAJT60SA

Irradiation conditions in ITER, DEMO and Fusion Reactors

~10 appm He/dpa~45 appm H/dpa

0.5 MW/m20.5 MW/m20.1-0.3 MW/m2Heat Flux (First Wall)

<3 dpa

0.07 MW/m2

(3 yrs inductive operation)

0.78 MW/m2

0.5 GW

ITER

~10 appm He/dpa~45 appm H/dpa

Transmutation product rates (First Wall)

100-150 dpa50-80 dpaDisplacement per atom

10-15 MW.year/m 2

5-8 MW.year/m 2

Integrated wall load (First Wall)

~2 MW/m2< 2 MW/m2Neutron Wall Load (First Wall)

3-4 GW2-2.5 GWFusion Power

ReactorDEMO

Fuel Cladding in Fast Neutron Reactors:

~100 dpa

But H and He production ~0.1-1 appm/dpa

2010 2050

Funding: Hypothesis

EFDA-times model: energy market in the future

15 regions in the world, 2100 is the time horizon.

used to study possible fusion energy, and cost goal in order to make it competitive in some country/ region under selective scenario assumptions.

Not based on extrapolations rather uses rules an boundary conditions.The model “invests” in new power plants to accommodate population growth and economic development and to replace “old” plants, which are phased out after a specified technical lifetime.

Conclusion: 2050

Artist’s impression based on European Fusion Power Plant Conceptual Study