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Fos, hub logistique pour la construction du réacteur expérimental ITER

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Fos, hub logistique pour la construction du réacteur expérimental ITER

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Lancé officiellement en 2006 après 20 ans d’études, le programme ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) voit la construction à Cadarache, en France, d’un réacteur expérimental basé sur la technologie de fusion nucléaire. Porté par l’Union Européenne (qui participe à hauteur de 45%), la Chine, l’Inde, le Japon, la Corée du Sud, la Russie et les Etats-Unis, soit en tout 35 pays, ce projet de très grande ampleur repose sur une contribution en nature de ses membres. En clair, chaque membre du programme, en fonction de ses compétences, fabrique les pièces et équipements qui sont ensuite acheminés à Cadarache pour être assemblés sur le site d’ITER.

 

Ce à quoi ressemblera le site une fois achevé (© : ITER)

Ce à quoi ressemblera le site une fois achevé (© : ITER)

 

Plus de 250 colis lourds arriveront par voie maritime

Un mécano industriel inédit pour un projet scientifique international hors normes qui nécessite une organisation, une coordination mais aussi une logistique colossales. Dans cette perspective, Fos-sur-Mer sert de hub d’acheminement des pièces les plus volumineuses, produites dans le monde entier. Ainsi, en plus des livraisons conventionnelles, dont certaines arrivent par avion à l’aéroport de Marseille-Provence, plus de 250 colis  « exceptionnellement lourds », d’un poids allant jusqu’à 600 tonnes, rejoindront le port français pendant la construction d’ITER.

Les premières expéditions ont débuté il y a un an et, tous les mois en moyenne, un navire vient débarquer à Fos de nouvelles pièces. Après le déchargement sur le port, il faut ensuite conduire les colis jusqu’au site final, qui se trouve comme Cadarache sur la commune de Saint-Paul-lez-Durance. Un trajet qui s’opère par voie fluviale et routière.

 

Premier convoyage d'équipement en janvier 2015 (© : EMMANUEL BONICI)

Premier convoyage d'équipement en janvier 2015 (© : EMMANUEL BONICI)

 

Des convois hors normes par barge puis voie routière

La cargaison est d’abord embarquée sur le Sirocco, une barge Ro-Ro longue de 79 mètres et large de 11.4 mètres spécialement aménagée pour cette mission. Depuis le golfe de Fos, elle franchit le canal de Caronte, qui passe par Martigues et donne accès à l’étang de Berre, que la barge traverse. Les colis sont alors débarqués au port de La Pointe et ceux qui ne peuvent pas être pris en charge par des semi-remorques classiques sont posés sur un gigantesque ensemble routier autopropulsé et téléguidable de 46 mètres de long, 9 mètres de large et 352 roues. Il reste en effet 104 kilomètres à parcourir par voie terrestre jusqu’à Cadarache. Compte tenu du gabarit des convois - près de 800 tonnes (véhicule compris) pour le plus lourd d'entre eux, 10.4 mètres de hauteur pour le plus haut, 33 mètres pour le plus long et 9 mètres pour le plus large – il a fallu élargir certaines routes, créer de nouvelles portions, renforcer des ponts et réaménager des giratoires.

 

Le véhicule autopropulsé lors des tests en 2014 (© : EMMANUEL BONICI)

Le véhicule autopropulsé lors des tests en 2014 (© : EMMANUEL BONICI)

 

Les travaux, d’un coût de 110 millions d’euros, ont été financés par la France et réalisés entre 2008 et 2011. Afin de minimiser au maximum la gêne pour les populations riveraines et la circulation des automobilistes, les convois sont acheminés en trois nuits et autant d’étapes. Ces opérations, placées sous très haute surveillance, mobilisent un important dispositif avec, en plus des forces de l’ordre (en mer et à terre), des équipes chargées de préparer et baliser le trajet, par exemple en enlevant puis réinstallant certains équipements routiers pour permettre le passage des convois, qui peuvent présenter un débattement d’une dizaine de mètres.

 

Transport d'un colis test en 2014 dans le canal de Caronte (© : EMMANUEL BONICI)

Transport d'un colis test en 2014 dans le canal de Caronte (© : EMMANUEL BONICI)

 

Première expédition en janvier 2015

Afin de valider le parcours, deux tests grandeur nature ont été menés en septembre 2013 (partie routière) et en avril 2014 (partie logistique), où le trajet par barge a été ajouté. Pour simuler les futurs colis, un lest de béton d’un poids de 600 tonnes, représentatif de la plus lourde pièce attendue sur le site d'ITER , a été transporté. Après ces essais réussis, les véritables transferts ont débuté en janvier 2015.

 

Un gros transformateur acheminé en janvier 2015 (© : EMMANUEL BONICI)

Un gros transformateur acheminé en janvier 2015 (© : EMMANUEL BONICI)

 

Depuis, une grosse dizaine de colis lourds, dits HEL (Highly Exceptional Load) sont arrivés par bateaux à Fos puis ont été conduits jusqu’au site d’ITER. Il y a notamment eu deux convois de trois semi-remorques chacun le mois dernier afin d’acheminer six pièces d’acier fabriquées en Inde et constituant une partie de la base du cryostat qui enveloppera le futur réacteur. Les éléments les plus spectaculaires appelés à voyager le long de l'Itinéraire ITER sont les 9 secteurs de la chambre à vide, fabriqués en Europe et en Corée, ainsi que les 19 bobines de champ toroïdal, venues d'Europe et du Japon.

 

Pièces du cryostat débarquées en novembre 2015 (© : EMMANUEL BONICI)

Pièces du cryostat débarquées en novembre 2015 (© : EMMANUEL BONICI)

 

10 millions de pièces pour édifier une structure monumentale

Le tokamak ITER, dont l’assemblage doit durer cinq ans, sera une structure monumentale puisqu’elle mesurera 29 mètres de haut pour 30 mètres de diamètre et affichera un poids de 23.000 tonnes.

Composée d’un million d’éléments et de 10 millions de pièces fabriqués sur trois continents et pour la plupart expérimentaux, ITER sera la plus grande machine de fusion jamais construite. Elle vise à démontrer la faisabilité scientifique et technique d’une utilisation de la fusion nucléaire afin de produire de l’électricité. Le procédé est différent de la fission, employée aujourd’hui par les centrales nucléaires. Celle-ci consiste à bombarder des atomes lourds comme l’uranium 235 de neutrons pour les faire éclater et obtenir ainsi de l’énergie, mais aussi une réaction en chaîne grâce à la création d’atomes plus légers et de nouveaux neutrons, capables à leur tour de provoquer une fission. La fusion, au contraire, consiste à rapprocher deux atomes proches de l’hydrogène (les isotopes deutérium et tritium) qui, en fusionnant, créent noyau instable. Ce dernier, pour tenter de retrouver un état stable, éjecte un atome d’hélium et un neutron, qui emportent chacun une grande quantité d’énergie.

La fusion est présentée comme plus sûre puisque le procédé pourrait être en cas de problème facilement stoppé, contrairement à la réaction en chaîne liée à la fission. Les déchets produits seraient en outre bien moindres et nettement moins radioactifs (pas de déchet de haute activité à longue vie).

L’énergie des étoiles

Aujourd’hui, la fusion thermonucléaire existe à l’état naturel. Elle se déroule en effet en permanence dans les étoiles, où l’hydrogène fusionne à des températures de plusieurs millions de degrés. Avec ITER, il s’agit donc de maîtriser l’énergie d’un soleil pour réussir la fusion d’atomes légers et, ainsi, générer de l’énergie en grande quantité. Car la fusion deutérium/tritium crée, à masse égale, 4 millions de fois plus d’énergie que la combustion du pétrole, du gaz ou du charbon, et quatre fois plus que la fission d’uranium enrichi.  

Le tokamak, cœur de la machine

Pour y parvenir, ITER va utiliser une chambre de confinement magnétique appelée tokamak (acronyme russe signifiant « chambre toroïdale, bobines magnétiques »), enfermée dans un thermos géant, le cryostat, qui présentera un volume de 16.000 m3 et dont la seule base pèsera 1250 tonnes (3850 tonnes pour l’ensemble. Au cœur de la machine se trouvera la chambre à vide, dans laquelle le mélange gazeux (plasma) de deutérium et de tritium sera chauffé à 150 millions de degrés (10 fois plus que le cœur du Soleil). Le plasma résulte en effet de la dissociation des atomes (séparation des électrons et des noyaux) à très haute température, offrant avec la pression un milieu propice à la fusion des noyaux légers. Pour être efficace, le tokamak doit non seulement offrir une température considérable, mais aussi une densité de particules déterminée pour produire le plus grand nombre de collisions possibles. Il faut enfin un temps de confinement de l'énergie suffisamment long pour que les collisions se produisent en grand nombre avec la plus grande énergie possible.

 

Le tokamak (© : ITER)

Le tokamak (© : ITER)

 

Un puissant champ magnétique pour contrôler le plasma

Destiné à confiner et contrôler le plasma à l’intérieur de la chambre à vide, un puissant champ magnétique sera généré par 10.000 tonnes d’aimants supraconducteurs refroidis à – 269° et générant une énergie de 51 Giga-joule, le système se répartissant autour de l’enceinte avec des bobines de champ toroïdal, des bobines de champ poloïdal et, au centre, un solénoïde.

Grâce à sa taille, ITER offrira un rayon de plasma de 6.2 mètres pour un volume de 840 m3, le plasma (dont la densité sera très faible, avec un poids infime de l’ordre de quelques grammes) étant modelé par le champ magnétique et maintenu à l’écart des parois de l’enceinte, qu’il détériorerait s’il entrait en contact avec elles. Du fait de la différence de densité entre la paroi et le plasma, le plasma se refroidirait instantanément. Dimensionnante pour la machine, l’importante quantité de plasma (au regard des tokamaks précédemment construits) est cruciale car elle permettra, pour la première fois dans un réacteur à fusion, de produire plus d’énergie qu’il n’en aura été nécessaire pour porter le plasma à la température requise.

Créer de la vapeur pour produire de l’électricité

Dans les futures centrales industrielles de fusion, la création d’électricité sera obtenue par la même technique que celle utilisée pour des centrales à énergies fossiles ou fission nucléaire (ainsi que les réacteurs de sous-marins pour la propulsion), où l’eau de refroidissement est transformée en vapeur alimentant des turbines et alternateurs. Ainsi, dans l'enceinte du tokamak, l'énergie générée par la fusion des noyaux atomiques sera absorbée par les parois de la chambre à vide sous forme de chaleur, qui produira de la vapeur.

Avec ITER, les scientifiques veulent obtenir une puissance de fusion de 500 MW pour une puissance de chauffage en entrée de 50 MW, soit une puissance bien supérieure à celle délivrée par le plus gros tokamak du monde, l’Européen JET, installé au Royaume-Uni et qui a généré en 1997 une puissance de fusion de 16 MW (avec une énergie injectée plus importante que celle restituée, avec un ration de 0.68).

 

Le tokamak est enserré dans le cryostat (© : ITER)

Le tokamak est enserré dans le cryostat (© : ITER)

 

Une machine uniquement expérimentale

On notera qu’ITER demeurera une machine expérimentale, qui ne fonctionnera pas de manière continue mais servira à produire des décharges d’une durée de plusieurs dizaines de minutes et permettra de conduire de multiples tests. Alors que l’énergie produite ne sera pas convertie en électricité, l’objectif est avant tout de démontrer le fonctionnement et la sûreté des technologies nécessaires à une future centrale de fusion électrogène. Ainsi, les scientifiques pourront étudier les plasmas dans les conditions représentatives d'une centrale industrielle et expérimenter différentes technologies dans les domaines du chauffage, du contrôle, du diagnostic, de la cryogénie ou encore de la télémaintenance. L’un des grands enjeux du projet est, notamment, de développer et valider les techniques permettant de gérer les « disruptions », c’est-à-dire l’apparition brutale d’instabilité dans le plasma entrainant la perte de son confinement et pouvant provoquer des dégâts sur la chambre. Compte tenu de la complexité du phénomène, des essais en conditions réelles sont nécessaires pour compléter les données des modèles théoriques et celles recueillies grâce aux expériences déjà menées sur des tokamaks plus petits.

ITER, de par sa taille et sa conception, permettra comme on l’a vu d’utiliser des plasmas plus volumineux que les précédents projets expérimentaux (dont le Tore Supra du CEA à Cadarache), avec comme avantages une puissance de fusion largement accrue, ainsi qu’une capacité à entretenir une réaction de fusion stable sur de longues durées.

Avec cet outil expérimental, il s’agira aussi de démontrer la faisabilité d’une production, au sein même de l’enceinte à vide, de tritium, l’un des deux isotopes de l’hydrogène qui seront utilisés pour la réaction de fusion. Les stocks mondiaux pour cette matière sont en effet très faibles et par conséquent insuffisants pour alimenter de futures centrales. Le tritium doit être produit à partir du lithium, que l’on trouve en abondance sur terre.

Mise en service après 2020

Alors que la construction du complexe de Saint-Paul-lez-Durance a débuté en 2010, le soudage des éléments du cryostat doit commencer cet été, les pièces du tokamak étant intégrées ensuite dans la machine. Un assemblage progressif et minutieux qui sera suivi d’une longue phase d'essais, destinée à vérifier que l'ensemble des systèmes fonctionne de manière satisfaisante. A l’issue, la machine sera prête pour entrer en service, probablement après 2020 (le calendrier doit être confirmé en juin prochain).

 

Le chantier en 2013 (© : ITER)

Le chantier en 2013 (© : ITER)

 

Un chantier de génie civil titanesque

En dehors du réacteur à proprement parler, ITER constitue un projet titanesque en matière de génie civil. Le site, implanté sur un terrain de 180 hectares, couvrira une surface de 42 ha comprenant 39 bâtiments scientifiques et auxiliaires, avec par exemple la plus grande usine cryogénique du monde, installée dans un bâtiment de 111 mètres de long, 47 mètres de large et 17 mètres de haut. Au cœur de ce complexe, le tokamak sera quant à lui abrité dans un édifice en béton armé long de 120 mètres, large de 80 et haut de 60. Nécessitant de couler 150.000 m3 de béton et de poser 16.000 tonnes d’armatures métalliques, il comprendra sept niveaux, dont deux souterrains. Alors que la construction du site mobilisera jusqu’à 2300 ouvriers, quelques 2000 personnes travailleront à l’assemblage du tokamak au plus fort de l’activité, en 2017-2018.

 

Ce à quoi ressemblera le site une fois achevé (© : ITER)

Ce à quoi ressemblera le site une fois achevé (© : ITER)

 

Un démonstrateur de centrale électrogène à l’étude

D’un coût estimé aujourd’hui à 15 milliards d’euros, ITER, une fois sa mission expérimentale menée à bien, sera démantelé. Pour la suite, il est prévu de construire, sur un site non encore déterminé, un démonstrateur de centrale électrogène à fusion nommé DEMO et dont les caractéristiques dépendront du retour d’expérience acquis avec ITER. Ce, ou sans doute ces prototypes car chaque membre d’ITER travaille sur un concept différent, doivent, contrairement à leur aîné, permettre la production d’électricité et, dans le même temps, parachever la technologie d’auto-alimentation en tritium. DEMO, qui n’en est pour l’instant qu’au stade de l’étude conceptuelle, ne sera vraisemblablement pas mis en chantier avant 2030-2035. Quant aux centrales industrielles qui pourraient voir le jour sur la base des essais de ce démonstrateur, elles ne devraient pas voir le jour avant la fin de ce siècle. Un très long chemin reste donc à parcourir avant que l’énergie des étoiles alimente le réseau électrique.

 

Ce que pourrait être DEMO (© : ITER)

Ce que pourrait être DEMO (© : ITER)

 

 

 

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