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ITER : Juger de la sûreté d'une installation du futur

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Evaluer la sûreté de ce qui n'a encore jamais existé à une telle échelle : tel est le défi des experts de l’IRSN face à la future installation expérimentale ITER, de sa conception, hier, à son exploitation, demain.

Alors que les centrales françaises tirent leur énergie de la fission nucléaire, l'installation expérimentale ITER [1], en construction à Cadarache (Bouches-du- Rhône), doit démontrer la faisabilité scientifique et technologique de la production et de l’utilisation de l'énergie de fusion. Et ce, sous l'œil attentif des experts de l'IRSN, qui veillent à la sûreté de cette expérience scientifique inédite à cette échelle, depuis sa conception, peu avant la fin des années 2000, jusqu’à la fin de son exploitation, prévue dans plusieurs décennies.  

Fusion ou fission nucléaire : quelle différence ?

Les réacteurs nucléaires actuels produisent de l’énergie grâce à la fission d’atomes lourds. Les réacteurs préfigurés par ITER permettront de produire de l’électricité à partir de la fusion d’atomes légers. Explications.

Le principe de la fission  

Le principe de la fission nucléaire. © Hervé Bouilly - IRSN 

La fission consiste à projeter un neutron sur un atome lourd instable (uranium 235 ou plutonium 239). Ce dernier l’absorbe en le faisant éclater en 2 atomes plus légers. Cela produit de l’énergie, des rayonnements radioactifs et 2 ou 3 neutrons capables à leur tour de provoquer une fission. Et ainsi de suite. C’est le mécanisme de la réaction en chaîne. Aujourdhui, c'est la fission qui est utilisée dans les centrales nucléaires de production d'électricité.

 

Le principe de la fusion

Le principe de la fusion nucléaire. © Hervé Bouilly - IRSN 

La fusion consiste à rapprocher deux atomes d’hydrogène (deutérium et tritium) à des températures de plusieurs millions de degrés, comme au cœur des étoiles. Lorsque ces noyaux légers fusionnent, le noyau créé se retrouve dans un état instable. Il tente de retrouver un état stable en éjectant un atome d’hélium et un neutron avec beaucoup d’énergie.


 

Un tokamak géant

ITER peut être vue comme une grande chambre à vide en forme de bouée, appelée « tokamak ». Dans cette enceinte de confinement magnétique, le combustible, un mélange de deutérium et de tritium (deux isotopes de l'hydrogène), est chauffé à des températures supérieures à 150 millions de degrés afin d'obtenir un plasma chaud, environnement dans lequel des éléments légers comme le deutérium et le tritium peuvent fusionner. Cette réaction de fusion produit un gaz inerte, l’hélium, et surtout de l'énergie.

« Le plasma représente le quatrième état de la matière : quand on chauffe un élément solide, il devient liquide ; si on le chauffe davantage, il deviendra gazeux ; et si on le chauffe davantage encore, il deviendra plasma », rappelle Didier Perrault, expert de l’Institut chargé de piloter la vingtaine de spécialistes de l’Institut en incendie, en radioprotection, en explosion, en génie civil…, mobilisés pour évaluer la sûreté de l’installation ITER.

Dans la nature, le plasma se rencontre dans le soleil, les étoiles, les aurores boréales ou encore la foudre, où il atteint des températures de plusieurs dizaines de millions de degrés. A un plus bas niveau d'énergie, le plasma est utilisé dans les écrans vidéo par exemple.

Compte tenu de sa taille et donc de la quantité de tritium (élément radioactif) nécessaire sur le site, l’installation ITER est classée « installation nucléaire de base », conformément à la législation française. « Sur les 250 tokamaks déjà construits dans le monde, ITER est le premier à relever de cette catégorie d’installations », précise Didier Perrault. « Sur le plan de la sûreté, il doit être considéré au même titre qu'un réacteur nucléaire. » 

L’organisation ITER, en tant qu’exploitant, doit, comme EDF par exemple pour chacune de ses centrales, remettre un dossier de demande d’autorisation de création aux ministres compétents et à l’Autorité de sûreté nucléaire (ASN), qui est soumis à l’expertise technique de l’IRSN.

Cliquer pour agrandir © ITER Organization 

Vue éclatée du futur tokamak ITER.
Le combustible est confiné dans une chambre à vide en forme d'anneau. © ITER Organization. 

 

Un premier examen dès 2002

C'est en juin 2005 que les sept partenaires du projet, à savoir la Russie, les Etats-Unis, l'Europe, le Japon, la Chine, la Corée du Sud et l'Inde, ont signé un accord retenant le site de Cadarache, près d'Aix-en-Provence, pour l’implantation du projet international ITER. Pour autant, dès 2002, l'IRSN était mandaté pour examiner ledossier d’options de sûreté de l'installation expérimentale.

« Nous avions conclu dece premier examen que les principes généraux retenus étaient convenables, mais que, si le projet devait se poursuivre, certains points complémentaires devraient être repensés, comme le risque d'explosion dans la chambre à vide », se rappelle Didier Perrault.

 Les dates clés d'ITER de sa conception à son exploitation :  Les dates clés d'ITER de sa conception à son exploitation © Hervé Bouilly - Source : IRSN

© Hervé Bouilly - Source : IRSN

 

En 2006, quand l'implantation en France a été confirmée, l'IRSN a identifié des actions de recherche à mener dans l’Institut dont les résultats pourraient être utiles en vue des futures expertises de sûreté de l’installation ITER, notamment sur le sujet sensible déjà pointé d'une explosion en cas d'entrée d'air par une traversée de la chambre à vide. 

« Nous avions déjà des compétences sur l’explosion d’hydrogène dans les enceintes des réacteurs à eau sous pression, même s'il s'agissait de fission et non de fusion », poursuit Ahmed Bentaib, spécialiste de l'explosion à l'IRSN. « Nous avons adapté nos outils de modélisation aux conditions d’ITER : les domaines d’application des codes de calcul Astec et Tonus ont été étendus aux basses pressions afin de simuler les accidents pouvant survenir dans la chambre à vide. Nous avons également développé de nouveaux outils, comme le code Dust, pour prédire la mobilisation, le transport et l’explosion des poussières issues de l’érosion des parois internes de la chambre à vide. » 

En parallèle, une thèse a étudié la question de la combustion de l'hydrogène en présence de poussières. Enfin, des compétences externes ont été sollicitées, comme celle de Benjamin Carreras, spécialiste américain du plasma : « Des perturbations peuvent survenir dans ce type de dispositifs, menant à une baisse soudaine du courant plasmatique, ce qui crée des tensions très élevées dans la chambre et induit l'accélération des électrons qui peuvent endommager la structure », explique le consultant.

 

Un examen pour la création de l’installation rendu en 2011

Ces compétences ont permis à l'IRSN de procéder à l'examen de la sûreté de l’installation ITER en vue de sa création. Cet examen, qui a débuté en 2008, a été réalisé sur la base du dossier de demande d’autorisation de création déposé par l’exploitant, de plus de 4 000 pages, mais aussi des quelques 700 réponses et 100 documents complémentaires.

Il s'est terminé en 2011 par un rapport de 400 pages, porteur de 200 recommandations, présenté devant les groupes permanents d’experts de l’ASN. « Le travail de recherche que nous avons réalisé depuis 2006 nous a permis d’examiner, entre autres, la problématique de l’explosion dans la chambre à vide », poursuit Ahmed Bentaib.

Dans la pratique, c'est l'ASN qui, sur cette base, va formuler à ITER les demandes auxquelles l'organisation devra répondre. « Nous avons aussi proposé de programmer un nouvel examen de la situation dans trois ans », précise Didier Perrault. « En effet, ce jeu de recommandations et les réponses d'ITER qui en découleront peuvent conduire à des modifications de conception ou à des dispositions complémentaires et il ne serait pas raisonnable d'attendre le rendez-vous suivant de 2021, date de mise en service, pour en faire l’examen. Dans la pratique, une telle demande n’est pas habituelle. Mais ITER est un système très particulier, de conception unique. »

 

Trois ans pour se préparer

D'ici à ce prochain rendez-vous, les experts de l'IRSN ont déjà programmé des recherches indispensables pour renforcer l'expertise des propositions d'ITER.

« Sur la question de l'explosion, ITER va proposer des parades comme les recombineurs d'hydrogène qui transforment ce gaz en eau, ou les igniteurs, dispositifs qui brûlent l'hydrogène au fur et à mesure. Ces deux parades ont un seul et même but : éviter une accumulation dangereuse d'hydrogène », résume Ahmed Bentaib. « Nous allons dès maintenant développer des simulations afin d’évaluer la pertinence de ces dispositifs dans le cas d’ITER. »

L'analyse des scénarios accidentels est également au programme. « Nous allons poursuivre l’évaluation des scénarios étudiés par les équipes d'ITER pour s’assurer que nous parvenons aux mêmes résultats, mais aussi explorer des hypothèses qui n'ont pas été étudiées et qui, selon nous, méritent d’être investiguées. » Objectif : être prêts quand parviendront les réponses d'ITER aux demandes de l’ASN.

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Note :

1- International Thermonuclear Experimental Reactor ou réacteur thermonucléaire expérimental international, ce qui signifie « le chemin » en latin. Plus d'information : www.iter.org.


 

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