Facteur de gain d'énergie de fusion nucléaire

En 1955, John Lawson a été le premier à explorer en détail les mécanismes de l'équilibre énergétique, initialement dans des ouvrages classifiés, mais publiés ouvertement dans un article de 1957 désormais célèbre[6]. Dans cet article, il examinait et affinait les travaux de chercheurs antérieurs, notamment Hans Thirring, Peter Thonemann, et un article de synthèse de Richard Post. L'article de Lawson faisait des prédictions détaillées sur la quantité d'énergie qui serait perdue par divers mécanismes, et la comparait à l'énergie nécessaire pour permettre d'entretenir la réaction[6]^:6. L'équilibre entre les deux est aujourd'hui connu sous le nom de critère de Lawson.

La définition la plus élémentaire du seuil de rentabilité est lorsque Q = 1[note 3], c'est-à-dire lorsque P_fus = P_aux.

Certains travaux parlent de seuil de rentabilité scientifique lorsqu'ils font référence à cette définition, pour la distinguer de termes similaires[7] - [8]. Cependant, cet usage est rare en dehors de certains domaines, notamment celui de la fusion par confinement inertiel, où le terme est largement utilisé. Les dispositifs inertiels, et de nombreuses conceptions similaires, ne tentent pas de maintenir l'équilibre mais simplement de capturer l'énergie produite. Dans ce cas, P_aux considère toute l'énergie nécessaire pour produire la réaction, que ce soit un chauffage direct ou d'autres systèmes tels que les lasers ou la compression magnétique.

Depuis les années 1950, la plupart des conceptions de réacteurs à usage commercial sont basées sur un mélange de deutérium et de tritium comme combustible principal. D'autres combustibles ont des caractéristiques attrayantes mais sont beaucoup plus difficiles à porter au seuil d'ignition. Le tritium est radioactif, hautement bioactif et hautement mobile. Il représente donc un problème de sécurité important, ce qui augmente les coûts de conception et d'exploitation d'un tel réacteur[9].

Dans le but de réduire ces coûts, de nombreuses machines expérimentales sont conçues pour fonctionner uniquement avec des combustibles d'essai à base d'hydrogène ou de deutérium, en excluant le tritium. Dans ce cas, on utilise le terme de seuil de rentabilité extrapolé pour faire référence au facteur de gain Q_ext attendu de la machine qui fonctionnerait au carburant deutérium-tritium, basé sur le facteur de gain Q obtenu lors du fonctionnement avec l'hydrogène ou le deutérium seul[10].

Les records de performances extrapolées sont supérieurs aux records de performances scientifiques. Le JET et le JT-60 ont tous les deux obtenu des valeurs d'environ Q_ext = 1,25 (voir ci-dessous pour plus de détails) lorsqu'ils fonctionnent avec du carburant deutérium-deutérium (DD). Lors de fonctionnement avec du carburant deutérium-tritium (DT) (uniquement possible avec le JET), la performance maximale est d'environ la moitié de la valeur extrapolée[1].

Un autre terme apparenté est le seuil de rentabilité technique, qui considère la possibilité d'extraire l'énergie du réacteur, de la transformer en énergie électrique et d'en réinjecter une partie dans le système de chauffage[10]. Cette boucle fermée, qui renvoie l'électricité produite à partir de l'énergie de la fusion vers le système de chauffage, est connue sous le nom de « recirculation ». Dans ce cas, la définition de base du facteur de gain change en ajoutant des termes d'efficacité supplémentaires à P_fus pour tenir compte de ces processus[11]^:513.

Les réactions de type DT libèrent la majeure partie de leur énergie sous forme de neutrons et une plus petite quantité sous forme de particules chargées comme les particules alpha. Les neutrons sont électriquement neutres et finirons par sortir de tout dispositif de fusion par confinement magnétique (FCM). Dans le cas des dispositifs de fusion par confinement inertiel (FCI), malgré des densités de plasma très élevées, les neutrons ont également tendance à s'échapper facilement du plasma de ces machines. Ceci signifie que seules les particules chargées issues des réactions de fusion peuvent être capturées au sein de la masse du combustible et donner lieu à un auto-échauffement. Si la fraction de l'énergie acquise par les particules chargées est f_ch, alors la puissance de ces particules est P_ch = f_chP_fus[note 4]. Si ce processus d'auto-échauffement est parfait, c'est-à-dire que toute la puissance P_ch est capturé par le combustible, cela signifie que la puissance de fusion transportée par les particules qui s'échappent du plasma, (1 − f_ch)P_fus, est disponible pour produire de l'électricité[11]^:514.

La puissance P_chauf totale qui est apportée au plasma pour le chauffer est donc composée de P_aux et de P_ch, desquelles il faut retrancher la puissance rayonnée par les particules en mouvement au sein du plasma, P_brem[note 5]. Cette puissance de chauffage permet d'augmenter l'énergie thermique du plasma, dans la mesure où les pertes P_transp[note 6] transportées par les particules qui s'échappent du plasma (conduction thermique) sont inférieures à P_chauf. Le bilan de puissance au sein du plasma est alors[1] :

$${\displaystyle P_{\text{chauf}}=P_{\text{aux}}+P_{\text{ch}}-P_{\text{brem}}=P_{\text{transp}}+{\frac {{\text{d}}W_{\text{p}}}{{\text{d}}t}}}$$

où W_p est l'énergie thermique contenue dans le plasma, et dW_p / dt est la puissance à laquelle l'énergie thermique du plasma augmente. Lorsque le réacteur a atteint les conditions de régime stationnaire, on a alors P_chauf = P_transp. Dans ce cas, la puissance de chauffage P_chauf permet de compenser les pertes et de maintenir l'équilibre thermique du plasma[6]^:8-9.

Dans le cas où les neutrons transportent la majeure partie de l'énergie, comme avec le combustible DT, cette énergie neutronique est normalement capturée par une « couverture » de lithium, que l'on appelle couverture tritigène, produisant du tritium qui est utilisé pour alimenter le réacteur. En raison de diverses réactions exothermiques et endothermiques, la couverture tritigène peut produire également une petite quantité d'énergie, et avoir un facteur de gain de puissance M_R, qui est généralement de l'ordre de 1,1 à 1,3. Le résultat net correspond à la quantité totale d'énergie libérée dans l'environnement et qui est ainsi disponible pour la production d'électricité. C'est la puissance nette P_R du réacteur[11]^:514 - [note 7].

La couverture tritigène est refroidie à l'aide d'un fluide de refroidissement qui est utilisé dans un échangeur de chaleur pour générer de la vapeur entraînant des turbines et des générateurs électriques. Cette électricité est ensuite réinjectée dans le système de chauffage[11]^:514. Chacune de ces étapes de la chaîne de production a une efficacité qu'il faut prendre en compte. Dans le cas du système de chauffage du plasma, l'efficacité η_chauf est de l'ordre de 60 à 70 %, alors que les systèmes de générateurs électriques modernes basés sur le cycle de Rankine ont une efficacité η_élec autour de 35 à 40 %. En combinant les deux, nous obtenons une efficacité nette pour la boucle de conversion de puissance dans son ensemble, η_PCL (de l'anglais : Power Conversion Loop), de l'ordre de 20 à 25 %, qui représente la fraction de P_R qui peut être utilisée dans la boucle de recirculation[11]^:514.

Le facteur de gain d'énergie de fusion nécessaire pour atteindre le seuil de rentabilité technique Q_T[note 8] est alors défini par[11]^:514-515 :

$${\displaystyle Q_{\text{T}}\equiv {\frac {P_{\text{fus}}}{P_{\text{aux}}}}={\frac {1}{\eta _{\text{chauf}}\cdot M_{\text{R}}\cdot \eta _{\text{elec}}\cdot (1-f_{\text{ch}})}}}$$

Pour comprendre comment Q_T est utilisé, considérons un réacteur fonctionnant à P_fus = 20 MW avec un facteur de gain Q = 4, ce qui implique que P_aux = 5 MW. Sur les 20 MW produits par la fusion, environ f_ch = 20 % sont des alphas, soit 4 MW de la puissance de fusion qui reste dans le plasma. Le reste, 16 MW est la production nette du plasma. En utilisant M_R = 1,15 pour le gain dans la couverture tritigène, nous obtenons une puissance nette du réacteur P_R = 18,4 MW. Or, en supposant un bon η_PCL de 0,25, il nous faut 5 / 0,25 = 20 MW pour produire le chauffage auxiliaire. Donc, un réacteur ayant Q = 4 ne peut pas atteindre le seuil de rentabilité technique. Avec Q = 5, il faut 4 MW de chauffage auxiliaire, soit 4 / 0,25 = 16 MW de puissance à prélever sur la fusion. Les 18,4 MW de production nette sont donc suffisants. Ainsi pour ce type de conception théorique de réacteur, le seuil de rentabilité technique est obtenu pour un facteur de gain Q_T compris entre 4 et 5. La formule précédente montre qu'il faut en réalité Q_T > 4,35 pour pouvoir remplacer entièrement l'apport de chaleur auxiliaire par la boucle de recirculation.

Compte tenu des pertes et des rendements plus réalistes des réacteurs pratiques, les valeurs de Q comprises entre 5 et 8 sont généralement répertoriées pour les dispositifs à confinement magnétique[11]^:514. Les dispositifs à confinement inertiels ont des valeurs considérablement inférieures pour η_chauf et nécessitent donc des valeurs de Q_T beaucoup plus élevées, de l'ordre de 50 à 100[12].

Lorsque la température du plasma augmente, le taux de réactions de fusion augmente rapidement et, avec lui, le taux d'auto-échauffement. En revanche, les pertes d'énergie qui ne peuvent pas être capturées, comme les rayons X, n'augmentent pas au même rythme. Ainsi, dans l'ensemble, le processus d'auto-échauffement devient plus efficace à mesure que la température augmente, et moins d'énergie en provenance des sources auxiliaires est nécessaire pour maintenir la température du plasma.

Éventuellement, toute l'énergie nécessaire pour maintenir le plasma à la température de fonctionnement est fournie par auto-échauffement, et il n'est plus nécessaire d'ajouter de l'énergie auxiliaire. On a alors P_aux = 0. Ce point est connu sous le nom d'ignition[13]^:11. Dans le cas du combustible DT, où seulement 20 % de l'énergie de fusion est fournie aux particules alpha qui provoquent l'auto-échauffement, l'ignition ne peut se produire tant que le plasma ne libère pas au moins cinq fois la puissance nécessaire pour le maintenir à sa température de fonctionnement.

L'ignition, par définition, correspond à une valeur de Q infinie, mais cela ne signifie pas que la puissance utilisée pour la recirculation, mesurée par f_recirc (fraction de la puissance nette du réacteur utilisée pour la boucle de recirculation), s'annule, car les autres composants du système, comme les aimants et les systèmes de refroidissement, doivent également être alimentés. En général, cependant, ceux-ci sont beaucoup moins énergivores que les éléments chauffants et nécessitent une valeur beaucoup plus petite de f_recirc. Plus important encore, l'énergie alimentant les autres composant a tendance à rester presque constante. Ainsi, de nouvelles améliorations des performances du plasma se traduiront par plus d'énergie pouvant être directement utilisée pour la production commerciale d'électricité, et non pour la recirculation.

La dernière définition pour le seuil de rentabilité est le seuil de rentabilité commercial, qui est atteint lorsque la valeur économique de toute électricité nette restante après la recirculation est suffisante pour financer le réacteur[10]. Cette valeur dépend à la fois du coût de la construction du réacteur (y compris son financement), de ses coûts d'exploitation (y compris le combustible et l'entretien), et du prix de l'électricité[10] - [14].

Le seuil de rentabilité commercial repose sur des facteurs extérieurs à la technologie du réacteur lui-même, et il est possible que même un réacteur ayant atteint son point d'ignition, fonctionnant bien au-delà de son seuil de rentabilité technique, ne produise pas assez d'électricité pour s'autofinancer dans des délais suffisamment courts. La question de savoir si l'une des principales conceptions, tel que ITER, pourrait atteindre cet objectif n'est toujours pas résolue[15].