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Fusion nucléaire

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Il y a 3 heures, g4lly a dit :

Quel est le probleme avec les neutrons?! C'est avec des neutrons qu'on produit la chaleur des centrales nucléaire a fission qui sont en service ...

Accessoirement tous les projet de "centrale à fusion" reprennent ce principe Deutérium plus Tritium vers Helium4 plus neutron. Les neutrons servent à produire de la chaleur mais aussi a produire le Tritium depuis du Lithium pour alimenter la fusion.

Évidement la production de neutron a un inconvénient ... la radioactivé secondaire qu'il induit dans les matériaux bombardé.

J'ai du mal m'expliquer.

Dans mon esprit les neutrons ne sont pas un problème mais une solution.

Dans les centrales nucléaire classique ils sont produit naturellement, plus la masse de matière fissile est grande et plus il s'en produit, a tel point que quand tu dépasse la masse critique cela devient explosif.

Mais dans les centrales nucléaires ce n'est pas l'explosion qui nous intéresse, aussi on joue sur l'enrichissement pour modérer un peu les réactions et sur un modérateur qui permet de piloter l'installation.

Tout cela pour avoir un flux de neutrons régulier et maîtrisé qui correspond à un flux de fission qui entraîne une production d'énergie elle aussi régulière et maîtrisée.

Mais on pourrait avoir un flux de neutrons artificiels, dans ce cas l'inventaire de matière fissile aurait moins d'importance et on pourrait donc faire des réacteurs compacts. Seulement si on sait produire des neutrons, la méthode habituelle n'en produit pas beaucoup, @Delbareth l'a bien illustré: 20 millions d'années pour produire 2g de deutérium en utilisant des accélérateurs de particules....

Et là je pensais que c'était cela l'astuce de Lockheed: réduire le niveau d'ambition de l'aspect "fusion" pour non pas atteindre le régime d'ignition mais pour simplement produire un flux de neutrons respectable, et utiliser ce flux pour produire de la fission.

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Le 25/08/2018 à 10:25, Picdelamirand-oil a dit :

Mais on pourrait avoir un flux de neutrons artificiels, dans ce cas l'inventaire de matière fissile aurait moins d'importance et on pourrait donc faire des réacteurs compacts. Seulement si on sait produire des neutrons, la méthode habituelle n'en produit pas beaucoup, @Delbareth l'a bien illustré: 20 millions d'années pour produire 2g de deutérium en utilisant des accélérateurs de particules....

Pour être précis, et enfoncer le clou d'une manière différente, il ne faut pas confondre flux et criticité.

La criticité, c'est que chaque fission engendre une nouvelle fission. Le flux, c'est le nombre de neutron qui se baladent et c'est donc relié au nombre de fission par unité de temps.

La criticité est uniquement définie par la géométrie et les matériaux. Si pour une fission (en moyenne) les neutrons crées permettent moyennant les fuites et les absorptions parasites d'induire une nouvelle fission -ni plus ni moins- alors on est critique (k=1). Que cette criticité se fasse à flux faible ou important est une autre histoire.

Donc mettre moins de matière fissile, c'est être sous-critique, et cela signifie qu'à chaque génération il manque des fissions (ou des neutrons pour les générer). Ces neutrons peuvent être apportés de l'extérieur pour compenser ceux qui sont absorbés ou qui fuient : c'est le cas des ADS. Evidemment plus le flux est grand, plus le nombre à apporter est grand. Les ADS ne sont que un peu sous-critiques prompt, puisqu'on envisage un paramètre k de 0,95. Les 0,05 restant sont apportés par un accélérateur de particule tellement intense, énergétique et fiable qu'il n'existe pas à l'heure actuel (de mémoire 100 mA de proton de 1 GeV sans coupure > 1s pendant 1 an, pour info notre "petit" accélérateur fait je crois du 50 µA à 3 MeV proton au max...).

Pour un réacteur de plus faible flux, on pourrait imaginer qu'il faut apporter un peu moins de neutron. Néanmoins, la sous-criticité se paye extrêmement cher, pour un gain en terme de matière fissile qui n'est pas colossal (je ne parle même pas d'un micro-réacteur avec k=0.05!).

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Et puis l'intérêt de construire un réacteur à fission luimême compact mais qui dépend d'un réacteur à fusion pour une partie de ses neutrons ne parait pas évident quand on voit le gabarit des réacteurs à fusion...
S'il y a un intérêt, il est peu probable que ce soit la compacité. Un argument de vente des réacteurs à fission sous-critiques est la sécurité, mais même cet argument est douteux pour des valeurs raisonnables de k.

 

 

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Non là vous vous référez tous les deux au fonctionnement normal des réacteurs courants.

Pour ces réacteurs il faut fonctionner à K = 1  si on est en dessous la sources de neutrons va se tarir, si on est au dessus c'est l'explosion. Mais si on a une source respectable de neutrons on a plus besoin de fonctionner à K = 1 on peut fonctionner en dessous car la source ne va pas se tarir.

Bien sur si il faut assurer non pas 0,05 mais plutôt 0.5 parce qu'il n'y aura presque pas de neutrons produit du fait de la masse et de la configuration des matières fissiles, il faut changer d'ordre de grandeur pour la production de l'usine à neutron.

Et mon hypothèse c'est que cette fusion incomplète produit quand même un flux de neutrons beaucoup plus grand qu'un accélérateur de particule.

Et leur machine à l'air assez compacte.

Edited by Picdelamirand-oil

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Je ne vois pas bien l'intérêt.

Comme l'a dit Wizard, l'intérêt de la sous-criticité pour les ADS est la sécurité du pilotage. Mais un réacteur à k=0,5 mérite à peine d'être appelé "réacteur" tant la réaction en chaine meurt rapidement sans massage cardiaque externe. La quantité de neutron à amener de l'extérieur est alors égale à celle produite par les fissions. Si l'on est capable de générer autant de neutrons, pourquoi s'embêter avec la fission (un facteur 2 c'est négligeable).

Si le but est de produire de l'énergie, la fusion écrase la fission alors pourquoi s'embarrasser d'un réacteur à double techno... ?

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Et la fusion de quarks? On est encore dans le flou théorique ou il y a déjà des pistes de solution pour "industrialiser" un processus terrestre sur cette base.

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Les quarks sont des particules qu'il est impossible (théoriquement ou experimentalement je ne sais pas) de trouver tout seul. Ils sont confinés dans le potentiel nucléaire et ne peuvent en sortir. Ils sont donc toujours liés par 3 (parfois par 2 si l'un est un anti-quark) dans un nucléon. Tout au plus est-on capable de faire une soupe de quark en collisionnant des ions lourds, mais niveau rendement énergétique c'est pas ça...

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Pour compléter mon post précédent, le rappellerait quelques ordres de grandeurs :

- un nucléon de base (proton, neutron), c'est une masse de 1 GeV ; relier deux nucléons ensemble permet de gagner quelques MeV d'énergie de liaison (l'ensemble est quelques MeV plus lourd que la somme de ses constituants)

- un quark, c'est une masse de 5 MeV ; mettez-en 3 dans le même sac et vous obtenez un nucléon de 1 GeV, soit 985 MeV d'énergie de liaison

Alors certes, si on avait des quarks libres a disposition ça serait super méga rentable de la mort qui tue. Mais c'est pas le cas :wacko:

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J'ai une question a la con. Mais vraiment.

Dans la chimie il y a parfois des catalyseurs qui rendent des réactions chimiques possibles avec des ordre de grandeur très importants sur les temps de réaction et même leur faisabilité.

A-t-on l'équivalent parfois dans le nuke? Est-il possible de seulement imaginer, théoriquement, une possible rupture avec une sorte de catalyseur qui ne participe pas à la réaction mais qui rendrait la fusion nucléaire possible beaucoup plus simplement?

 

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Ca existe parfois (cf. https://astronomia.fr/3eme_partie/nucl.php, chercher "catalyseur"). Néanmoins, ça ne fait que rendre possible des réactions qui seraient extrêmement rares sinon.

Il y a aussi des barrières énergétiques qui ne peuvent pas être franchie par 2 processus consécutifs (montée en énergie puis redescente) mais qui peuvent l'être par seul processus. Typiquement la désintégration 2protons alors que la désintégration 1p est interdite pour des raisons d'énergie. Par contre, est-ce qu'on peut trouver un exemple avec un catalyseur je ne sais pas...

Pour le cas de la fusion, le soucis c'est qu'on cherche à faire fusionner des trucs déjà très simples. Rien n'empêche la fusion, si ce n'est notre incapacité humaine à confiner à grande densité à des millions de Kelvin.

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En principe, il y a bien la fusion catalysée par des muons.
C'est un processus théorisé par Sakharov dans les années 1940, et qui a bien été observé.
Le muon est plus lourd que l'électron, plus proche du noyau lorsqu'il remplace un électron, ce qui abaisse les barrières énergétiques.
La difficulté est que le muon est une particule instable, avec une durée de vie de 2.2 µs, et que pendant cette durée de vie, il ne peut pas catalyser suffisamment de réactions pour compenser son coût énergétique de production. De plus, les noyaux d'hélium tendent à garder pour eux une partie des muons.
Il y a eu un effort de recherche dans ce sens, mais ça parait être un peu tombé dans l'oubli, faute de perspectives. Dans ces expériences, un muon catalysait quelques centaines de réactions de fusion avant de se désintégrer, mais ce n'était pas suffisant pour être globalement exo-énergétique en incluant le coût de production du muon.

Si les gens de la physique des particules pouvaient nous trouver une particule chargé plus stable que le muon, mettons avec une durée de vie d'au moins quelques millisecondes, pas trop coûteuse énergétiquement à produire, avec une masse de quelques dizaines de MeV, on pourrait construire des réacteurs à fusion catalysée, même fonctionnant à basse température. Mais ça ne parait pas exister.

 

Edited by WizardOfLinn
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il y a 38 minutes, WizardOfLinn a dit :

 

En principe, il y a bien la fusion catalysée par des muons.

Marrant comme truc je connaissais pas !

Par contre, j'ai du mal à voir comment des atomes, fussent-ils 200 fois plus proches les uns des autres, peuvent fusionner plus facilement. Un noyau est 100 000 fois plus petit que son atome, donc les noyaux d'atomes muoniques sont toujours 500 fois plus petits. Or les problèmes de répulsion coulombienne se passent très près du noyau, donc ça ne devrait rien changer.

M'enfin, il doit me manquer des infos (ou à défaut de l'intelligence) pour comprendre ça...

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il y a 31 minutes, Delbareth a dit :

Marrant comme truc je connaissais pas !

Par contre, j'ai du mal à voir comment des atomes, fussent-ils 200 fois plus proches les uns des autres, peuvent fusionner plus facilement. Un noyau est 100 000 fois plus petit que son atome, donc les noyaux d'atomes muoniques sont toujours 500 fois plus petits. Or les problèmes de répulsion coulombienne se passent très près du noyau, donc ça ne devrait rien changer.

M'enfin, il doit me manquer des infos (ou à défaut de l'intelligence) pour comprendre ça...

Le rayon de Bohr est divisé par 207 (rapport entre masse du muon et masse de l'électron), mais comme la densité de probabilité de présence dans le noyau est une exponentielle (pour le niveau fondamental), l'amplitude de la fonction d'onde du muon dans le noyau n'est pas négligeable.

En faisant une recherche sur "muon catalyzed fusion", tu trouveras plein d'articles sur le sujet, mais la plupart datent des années 80-90. L'intérêt a bien baissé depuis, le coût de production des muons restant rédhibitoire.

 

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il y a 1 minute, WizardOfLinn a dit :

Le rayon de Bohr est divisé par 207 (rapport entre masse du muon et masse de l'électron), mais comme la densité de probabilité de présence dans le noyau est une exponentielle (pour le niveau fondamental), l'amplitude de la fonction d'onde du muon dans le noyau n'est pas négligeable.

Ah c'est ça qui me manquait. Le muon se retrouve parfois dans le noyau, annulant la répulsion coulombienne !

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First Light Fusion, une société britannique, est en train de construire un système de recherche sur la fusion en confinement inertiel, nommé "Machine 3".
La construction parait avancer assez vite puisqu'ils ont effectué des premiers tirs d'essai seulement 5 mois après le début de la construction.

http://www.world-nuclear-news.org/Articles/Initial-tests-at-UK-pulsed-power-device

Il n'y a pas beaucoup de détails techniques, mais ça parait être un accélérateur électromagnétique bombardant une cavité avec un projectile lancé à grande vitesse et créant une onde de choc.
Le site de la société reste vraiment très général et nébuleux pour l'instant (vous pouvez passer le blabla habituel du début sur les ressources fossiles, le climat, etc. etc., et aller directement à la fin).
https://firstlightfusion.com/technology/#our-approach
Ils paraissent avoir trouvé un moyen de contourner la difficulté traditionnelle de la fusion en confinement inertiel, les instabilités qui se développent au cours de l'implosion, lorsqu'on essaye de comprimer une cible dont la coque a une densité plus élevée que le contenu.

Dans le "advisory board", j'ai noté quelques grosses pointures, comme Steven Chu (Nobel de physique), ou Garwin (un concepteur de la première bombe H).

Autre article de présentation "commerciale", datant de mars 2018 :
https://www.scitecheuropa.eu/first-light-fusion-build-pulsed-machine/85327/

Présentation, encre très générale, datant de l'année dernière :
http://events.cleantech.com/wp-content/uploads/2017/06/CFE17_Nicholas-Hawker_First-Light-Fusion.pdf

Je me demande bien comment la compression peut être assez rapide avec un tel système, mais si des gens comme Chu ou Garwin ont apporté leur caution, ça ne doit pas être totalement absurde. Attendre quelques années avant publication de premiers résultats.

 

 

 

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Le 28/08/2018 à 11:22, Delbareth a dit :

Pour compléter mon post précédent, le rappellerait quelques ordres de grandeurs :

- un nucléon de base (proton, neutron), c'est une masse de 1 GeV ; relier deux nucléons ensemble permet de gagner quelques MeV d'énergie de liaison (l'ensemble est quelques MeV plus lourd que la somme de ses constituants)

- un quark, c'est une masse de 5 MeV ; mettez-en 3 dans le même sac et vous obtenez un nucléon de 1 GeV, soit 985 MeV d'énergie de liaison

Alors certes, si on avait des quarks libres a disposition ça serait super méga rentable de la mort qui tue. Mais c'est pas le cas :wacko:

Hey, je dis de la merde et personne me reprend ! :happy:

Dans le cas des nucléons qui s'assemblent, le résultat est plus LEGER que la somme des constituants. La différence d'énergie (E=mc²) part en rayonnement/chaleur. Quelque part, le noyau formé est dans un puit de potentiel par rapport aux nucléons séparés, en raison du fait que la force nucléaire (ou électromagnétique)à ces échelles est attractive à courte distance mais nulle à grande distance.

Pour les quarks c'est très différent. La force nucléaire qui les lie ensemble est nulle à courte distance, mais augmente (considérablement) quand la distance augmente. C'est la raison pour laquelle on ne peut observer de quark isolé : si on sépare deux quarks, on doit apporter de l'énergie au système pour les écarter, et au bout d'un moment cette liaison se casse pour créer une paire quark/anti-quark, chacun se liant à l'un des quark de la paire écartée. C'est pour cette raison que chez les quarks, le rassemblement au sein d'un nucléon est plus LOURD que la somme de ses constituants. Si on avait 3 quarks isolés qu'on plaçait les uns à côté des autres, à priori il ne se passerai pas grand chose.

Donc question pour le futur : sera-t-on un jour capable de récupérer cette énorme énergie de liaison en produisant des quarks isolés (et non pas en utilisant des quarks isolés) ? Quelque part ça ressemble à la fission, sauf que dans ce cas, on amène de l'énergie au système ce qui le rend instable et lui permet de passer une barrière de potentiel (la barrière de fission) pour arriver dans un état d'énergie plus petite, la différence d'énergie étant alors récupérée. Sauf qu'avec les quarks, si on met de l'énergie dans le système, ça crée de nouveaux quarks... ce qui revient à dire qu'on ne peut pas avoir de quarks isolés.

Bref, c'est pas gagné...

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Il y a 2 heures, Delbareth a dit :

...

Donc question pour le futur : sera-t-on un jour capable de récupérer cette énorme énergie de liaison en produisant des quarks isolés (et non pas en utilisant des quarks isolés) ? Quelque part ça ressemble à la fission, sauf que dans ce cas, on amène de l'énergie au système ce qui le rend instable et lui permet de passer une barrière de potentiel (la barrière de fission) pour arriver dans un état d'énergie plus petite, la différence d'énergie étant alors récupérée. Sauf qu'avec les quarks, si on met de l'énergie dans le système, ça crée de nouveaux quarks... ce qui revient à dire qu'on ne peut pas avoir de quarks isolés.

Bref, c'est pas gagné...

Là aussi, il peut y avoir moyen de tricher ;)
Pour fissionner les nucléons, à basse énergie, et récupérer l'énergie de liaison, il suffit de se procurer des anti-nucléons.
proton + anti-proton, ça casse tout.
Malheureusement (douche froide), il ne parait pas y avoir beaucoup de mines d'anti-matière naturelle dans notre environnement (enfin, ce n'est peut-être pas plus mal...).
Néanmoins (espoir), des anti-protons produits artificiellement pourraient être utilisés pour amorcer une fusion nucléaire en confinement inertiel. Ce serait une façon détournée d'utiliser l'énergie des nucléons.
Si le rendement énergétique de production des anti-protons est suffisant, mettons 1%, ça peut être globalement exo-énergétique, la fusion libère plus d'énergie que n'en a consommé la production des anti-protons.
J'avais vu passer une étude du LANL sur le sujet il y a quelques années.
C'est juste de la spéculation, pour l'instant, ce n'est pas viable parce qu'on est très loin du rendement requis pour la production des anti-protons.

 

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Puisqu'on est dans une séquence créative et que nos experts en physique atomique sont bienveillants et indulgents: je pose ma question.

Citation

proton + anti-proton, ça casse tout.

Dans le genre "casse-noix" atomique, ne pourrait-on pas imaginer avec un bombardement "d'insérer" deux protons au milieux du noyau d'un gros atome dont on aurait "écarté" les nucléons de sorte que la répulsion coulombienne au sein du noyau confine les deux protons qui y sont piégés. C'est vraiment très c.. comme question, j'avais prévenu, mais à partir du moment où la répulsion coulombienne empêche les deux protons de se rencontrer, on peut imaginer intuitivement que cette même force puisse les faire se rencontrer.

<mode question débile off, désolé...>

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Il y a 1 heure, c seven a dit :

Puisqu'on est dans une séquence créative et que nos experts en physique atomique sont bienveillants et indulgents: je pose ma question.

Dans le genre "casse-noix" atomique, ne pourrait-on pas imaginer avec un bombardement "d'insérer" deux protons au milieux du noyau d'un gros atome dont on aurait "écarté" les nucléons de sorte que la répulsion coulombienne au sein du noyau confine les deux protons qui y sont piégés. C'est vraiment très c.. comme question, j'avais prévenu, mais à partir du moment où la répulsion coulombienne empêche les deux protons de se rencontrer, on peut imaginer intuitivement que cette même force puisse les faire se rencontrer.

<mode question débile off, désolé...>

A l'intérieur du noyau, la répulsion coulombienne est dominée par l'interaction forte qui est plus musclée, c'est ce qui maintient la cohésion du noyau.
Sinon, ce que tu décris (insérer des protons dans un noyau) est une réaction de fusion :happy:

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Il y a 4 heures, WizardOfLinn a dit :

Sinon, ce que tu décris (insérer des protons dans un noyau) est une réaction de fusion :happy:

LOL :smile:

 

Edited by c seven

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Il y a 23 heures, g4lly a dit :

Mouais c'est ce que je disais. C'est des manips du CERN où l'on fait se collisionner des protons à haute énergie et ça produit tout une soupe de chose. Et dans cette soupe, certains voit des choses intéressante.

La probabilité d'en tirer de l'énergie ou une bombe est aussi nulle que celle de voir EELV demander la construction d'un EPR place de l'Etoile.

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Bonsoir, 

concernant fusion et neutron, je croyais (je crois avoir lu) que le graal serait d'avoir une réaction de fusion sans neutrons. Avec  les neutrons on reste à "l'age de pierre", en effet on produit de la chaleur, on chauffe de l'eau et on fait tourner des turbines. C'est une machine à vapeur en fait et la chaine de conversion (chaudière, turbines, générateurs...) constitue plus de 50% du cout d'une centrale.

Le truc super serait d'utiliser des produits de fusion générant extrêmement peu de neutrons mais plus des particules chargées (rayons x et autres) qui pourraient directement réagir avec des couches spéciales de l'enceinte de confinement et produire directement de l'électricité à la manière des panneaux solaires. Sans passer par une conversion vapeur/turbines qui en plus est peu efficace.

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Il y a 20 heures, Toratoratora a dit :

Bonsoir, 

concernant fusion et neutron, je croyais (je crois avoir lu) que le graal serait d'avoir une réaction de fusion sans neutrons. Avec  les neutrons on reste à "l'age de pierre", en effet on produit de la chaleur, on chauffe de l'eau et on fait tourner des turbines. C'est une machine à vapeur en fait et la chaine de conversion (chaudière, turbines, générateurs...) constitue plus de 50% du cout d'une centrale.

Le truc super serait d'utiliser des produits de fusion générant extrêmement peu de neutrons mais plus des particules chargées (rayons x et autres) qui pourraient directement réagir avec des couches spéciales de l'enceinte de confinement et produire directement de l'électricité à la manière des panneaux solaires. Sans passer par une conversion vapeur/turbines qui en plus est peu efficace.

Il y a un petit courant de recherche sur la fusion du Bore-11, aneutronique :
p + B11 -> 3 He4
La réaction produit trois particules alpha, chargées, dont l'énergie cinétique peut en principe être récupérée par induction, donc sans passer par une machine thermique. Un autre avantage est que les réactifs ne sont pas radioactifs, contrairement au tritium, qui va être une source de complications non négligeable des réacteurs à fusion exploitant la réaction D-T.
Mais cette voie de recherche est un peu marginale parce que cette réaction est beaucoup plus difficile à exploiter que la réaction D-T, et donc beaucoup de spécialistes pensent que c'est inutilisable pour une centrale énergétique.
C'est quand même la voie explorée par Tri Alpha Energy (TAE Technologies), par exemple, et quelques autres organisations, avec des approches plus ou moins exotiques.

 

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