FR2936899A1 - Multi-reacteur de fusion thermonucleaire a confinement par pression mrcp - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif utilisant des faisceaux de particules (2) contra-rotatifs, et en particulier d'ions lourds, circulant à vitesse relativiste dans des tubes (3) et collisionnant à l'intérieur de chambres de réaction (8,9) de grandes dimensions pour allumer et entretenir des réactions de fusion thermonucléaire, ces chambres remplies de gaz divers tels Deutérium, Tritium, Azote, Argon, Néon sont disposées en chapelet sur toute la longueur du circuit (3) préférablement quasi-circulaire, la pression intrinsèque centripète de ces gaz est utilisée pour assurer, sans nécessiter d'apport d'énergie, le confinement des gaz en réaction, une usine de production d'hydrogène (13) servant de carburant pour toutes sortes de véhicules peut y être intégrée, la chaleur résiduelle peut être utilisée pour différents usages et en particulier pour le chauffage urbain..

Description

La présente invention concerne un Multi-Réacteur à Confinement par Pression dénommé MRCP permettant l'exploitation industrielle et commerciale à brève échéance, à des fins pacifiques, de la fusion thermonucléaire contrôlée pouvant comporter plusieurs chambres de réaction insérées en chapelet, ou comme les perles d'un collier, traversées suivant leur grand axe par les faisceaux de particules d'un un seul et même accélérateur. avec confinement du plasma par la pression des gaz utilisés pour la réaction, ce dispositif est destiné à produire de l'électricité en masse et à bas coût et éventuellement de l'hydrogène pour la propulsion des véhicules. Le réacteur objet de la présente invention .est appelé MRCP dans tout le texte qui suit. Depuis des dizaines d'années des études nombreuses ont montré la possibilité de réaliser la fusion thermonucléaire contrôlée d'atomes légers tels en particulier le deutérium et le tritium à des fins civiles pour la production d'énergie et en particulier d'électricité, la démonstration des puissances pouvant être obtenues ayant été faite par la réalisation déjà ancienne des bombes à hydrogène dites bombes " H " qui, elles, exploitaient la fusion incontrôlée. Pour obtenir une fusion de deux atomes légers, qui ont normalement tendance à se repousser, il faut arriver à rapprocher suffisamment leurs noyaux pour que les forces nucléaires fortes entrent en jeu, il y a alors fusion des atomes dont en particulier ceux du Deutérium et du Tritium avec création d'Hélium et dégagement d'une énergie considérable, pour ce faire il faut satisfaire au critère de LAWSON , qui permet de calculer, pour une température au moins égale à 100 millions de degrés, quel est le produit du temps de confinement par la densité qui doit être atteint pour que la fusion puisse se produire. Jusqu'à ce jour les études se sont concentrées sur deux moyens de parvenir à réaliser cette fusion : 20 - soit par le confinement inertiel avec densités très fortes pendant un temps très court - soit par confinement magnétique avec densité faible mais pendant un temps long de façon à ce que le produit du temps de confinement par la densité des particules satisfasse le critère de LAWSON à une température d'au moins 100 millions de degrés C où les gaz sont transformés en plasma. Plusieurs prototypes ont été construits, ou sont en construction, qui ont permis de se rapprocher des conditions 25 d'obtention de la fusion et en particulier le prototype NIF pour la fusion inertielle aux USA et le prototype ITER pour le confinement magnétique, qui est le produit d'une coopération internationale et utilise le principe du TOKAMAK, dont la construction va commencer à CADARACHE en France, mais la communauté scientifique internationale s'accorde pour penser que les premières installation industrielles commerciales ne pourront guère intervenir avant l'année 2050 alors que les besoins mondiaux en énergie augmentent très rapidement, que les 30 réserves en pétrole s'épuisent et que la production d'énergie fossile engendre des problèmes de pollution et de réchauffement de la planète de plus en plus insurmontables. Mais ces prototypes sont très coûteux et il faut un temps considérable pour réunir les financements nécessaires, les concevoir en détail, les construire et les expérimenter. C'est pourquoi il est d'une importance capitale de trouver le moyen de réduire les coûts et les délais pour 35 parvenir le plus rapidement possible à une production industrielle rentable d'énergie thermonucléaire dont les avantages ne sont plus à démontrer.

La présente invention a pour objet d'atteindre ce résultat grâce aux innovations et caractéristiques essentielles 40 suivantes : Le chauffage du plasma et son allumage, puis son entretien, sont réalisés, dans une ou des chambres de réaction DISPOSEES EN CHAPELET, ou comme les perles d'un collier, par un seul et même faisceau de particules de grande puissance ( protons ou ions de masses atomique diverses ), la ou les traversant sensiblement dans l'axe, ou préférablement par DEUX faisceaux circulant en sens inverse et COLLISIONNANT entre eux dans l'axe des chambres, et seulement dans leur zone centrale " active " dans le but de produire industriellement et en masse de l'énergie électrique à bas coût pour alimenter un ou des réseaux de distribution d'électricité et permettre également la production sur place d'hydrogène pouvant servir pour la propulsion des véhicules résolvant ainsi le problème crucial de ce début de siècle. La chaleur de la réaction de fusion est utilisée pour chauffer un fluide caloporteur qui actionne de façon classique des turbines d'alternateurs produisant de l'électricité, la chaleur résiduelle pouvant être valorisée, entre autres utilisations, comme moyen de chauffage pour une grande ville par exemple ou toute autre application industrielle. L'avantage énorme de cette dispositions est de n'avoir besoin que d'un seul dispositif, préférablement du type synchrotron, ou toute autre machine aboutissant au même résultat, pour réaliser la fusion dans jusqu'à plusieurs dizaines de " Chambre de Réaction " dénommées dans tout ce qui suit : " CHAMBRES " par souci de concision et dont chacune pourra en raison de son grand volume ( diamètre pouvant atteindre 8 à I0 mètres ou davantage ) développer une puissance bien supérieure à celle d'ITER par exemple atteignant ainsi véritablement le stade industriel. Les dimensions importantes d'une telle installation sont très favorables à l'augmentation du Temps de Confinement ( qui se calcule difficilement à priori ), car celui ci est, de par les expériences déjà faites et les statistiques en matière de confinement magnétique, largement fonction du rayon de la chambre de réaction. Le diamètre du synchrotron lui même peut varier dans de larges limites, mais il sera souvent de l'ordre de quelques centaines de mètres à un ou plusieurs kilomètres, ces dimensions ne sont données qu'à titre d'ordre de grandeur, elles peuvent varier fortement en plus ou en moins selon les besoins. Il faut noter que l'utilisation d'ions lourds pour la constitution des faisceaux réduit d'une puissance 4 1' effet de rayonnement synchrotron qui affecte surtout les particules légères telles les électrons, ceci permet donc de réduire très sensiblement le diamètre de l'installation par comparaison au SPS ou au LHC. En outre le fonctionnement en régime " pulsé " du synchrotron par paquets de particules relativistes séparés les uns des autres est bien plus efficace que le fonctionnement en continu des systèmes à confinement magnétique parce qu'il engendre des " ondes de choc "avec compression puis relaxation en fonction de l'inertie et ceci jusqu'à plusieurs centaines de milliers de fois par seconde améliorant le rendement des collisions de particules, d'où possibilité d'utiliser des puissances de faisceaux moindres. Les paquets de particules ont une longueur égale à celle de la longueur " active " des chambres, ils peuvent toutefois n'être pas totalement continus mais être fractionnés en " Sous Paquets " distincts les uns des autres.

On peut ainsi amortir l'investissement financier consenti pour le synchrotron ( ou assimilé ) dans des conditions plusieurs dizaines de fois plus économiques par rapport à des projets tels NIF ou ITER. Un autre avantage de la présente invention est que les deux fonctions : Allumage et entretien de la réaction de fusion / Production d'énergie, sont largement dissociées ce qui permet d' optimiser beaucoup mieux les paramètres de construction et d'exploitation de chacune de ces deux fonctions.

Un autre avantage caractéristique capital des réacteurs de fusion MRCP objets de la présente invention, est que les " Chambres " fonctionnent sous la pression des gaz nécessaires à la réaction de fusion qui les remplissent et en particulier Deutérium et Tritium avec préférentiellement ajout d'autres gaz utiles à la réaction et au confinement tels en particulier Argon, Néon, Azote.. Elles n'utilisent ni la méthode de confinement inertiel ni celle du confinement magnétique mais celle du confinement, totalement nouveau dans ce domaine, utilisant la pression centripète intrinsèque des gaz remplissant les chambres pour assurer le confinement du plasma à très haute température généré par les collisions des faisceaux tournant en sens inverse et des réactions de fusion. En effet les gaz situés à proximité immédiate de l'axe principal des chambres sont très fortement dilatés par la température de l'ordre de 100 Millions de degrés qui règne dans cette zone, les particules de ces gaz sont donc très éloignées les unes des autres alors que dans les zones plus éloignées de cet axe, et le refroidissement agissant, ces particules sont plus proches les unes des autres, et donc le gaz y est plus dense, ce qui forme une barrière naturelle, qui se renforce de plus en plus à mesure que l'on s'éloigne de l'axe, s'opposant à la propagation centrifuge des particules, c'est donc bien un confinement par PRESSION centripète qui est ainsi créé sans avoir besoin d'un apport d'énergie. L'ajout de gaz inertes tels l'Argon ou le Néon permet d'augmenter sensiblement la pression dans les chambres, et donc le confinement inertiel centripète, sans pour autant nécessiter la mise en oeuvre d'importantes quantités des gaz fusibles Deutérium et Tritium, ils améliorent également le rendement de la fusion grâce à l'effet de carambolage entre particules denses qui se manifeste quand les faisceaux collisionneurs sont constitués d'ions plus ou moins lourds, l'énergie dépensée pour élever la température de ces gaz est plus que compensée par le gain de rendement des réactions de fusion qu'ils permettent.

Ce mode de confinement permet de faire l'économie des énormes aimants supraconducteurs fonctionnant à très basse température des procédés à confinement magnétique ou des lasers très nombreux et de très grande puissance des procédés à confinement inertiel ainsi que de celle des très importantes installations nécessaires au maintien d'un vide très poussé et de très basses températures dans des volumes considérables inhérents à ces deux procédés.

En outre ce confinement par pression est beaucoup plus efficace et homogène qu'un confinement magnétique qui est le plus souvent instable et sujet à des fuites importantes de plasma ce qui a pour effet de réduire fortement le temps de confinement et donc d'affecter gravement l'un des principaux critères de LAWSON. En outre ce confinement est obtenu sans aucune dépense ni apport d'énergie extérieure, ce qui améliore énormément le rendement global de l'installation et le facteur " Q " Il est très intéressant , en plus du Deutérium, d'utiliser du Tritium pour optimiser les réactions de fusion, ce Tritium peut être produit dans les Chambres elles même par exemple si l'on ajoute de l'Azote car ce gaz, bombardé par des neutrons d'énergie supérieur à 4 MeV, issus des réactions de fusion, produit du Tritium, celui ci peut également être produit par le bombardement par les neutrons d'une couverture tritigène comme il en est une prévue par exemple pour ITER..

La présence de ces gaz sous pression a également l'avantage de freiner efficacement les neutrons issus des réactions évitant ainsi une détérioration des parois des chambres, et de bien mieux conduire la chaleur jusqu'à la première paroi. Les températures atteintes lors des collisions d'ions lourds peuvent atteindre 100.000 fois la température régnant au centre du soleil soit 1.5 milliards de degrés ce qui dépasse très largement le critère de LAWSON, aussi l'on peut profiter de ces températures plus élevées que nécessaire pour avoir une proportion relativement faible des particules " actives " pour la fusion ( Deutérium/Tritium ) par rapport aux autres gaz remplissant les chambres tout en respectant ce critère, de cette façon l'ensemble du mélange des divers gaz peut être porté à pression nettement plus élevée que dans les TOKAMAKS pour assurer un confinement centripète très efficace tout en conservant un même nombre de particules et une même densité au centimètre cube de particules " actives " du même ordre de grandeur que dans les TOKAMACS. Le choix des gaz et de leurs proportions respectives sera donc très important pour optimiser le rendement des réactions de fusion sans risque d'emballement de celles ci. Ces chambres sont préférablement de forme cylindrique dans leur partie centrale active avec une demi sphère à chaque extrémité du cylindre pour en faire des vases clos de grandes dimensions résistant parfaitement aux pressions et aux températures élevées, cette disposition a également l'avantage de permettre la diffusion " Rayonnante " de la chaleur puisque celle ci est engendrée par les réaction de fusion dans une zone cylindrique de très petit rayon dont l'axe se confond avec celui du grand axe des chambres, cette chaleur peut ainsi rayonner avec une intensité égale dans toutes les directions au lieu d' être concentrée sur la surface très réduite des " Divertors " prévus pour les procédés à confinement magnétiques d'où de très importantes économies sur les matériaux constitutifs de ces chambres qui peuvent se contenter de performances bien plus faibles. Le temps de confinement par PRESSION intrinsèque est particulièrement important car il l'est l'un des critères de LAWSON, il semble ne pas exister de formules mathématiques permettant de calculer avec précision le temps de confinement, mais des ordres de grandeur ont pu être évalués en fonction des essais effectués sur des prototypes plus ou moins anciens et des statistiques et il a été constaté que plus le rayon des chambres de réaction était grand plus le temps de confinement s'améliorait, le grand diamètre des chambres MRCP est donc un facteur très favorable. De ce fait il est difficile de calculer à priori la pression nécessaire pour obtenir un temps de confinement optimal, il y a lieu de la calculer à l'aide des lois classiques régissant le comportement des gaz à haute température ( Lois de Gay Lussac, l'Abbé Mariotte, Jacques Charles etc...), et surtout de faire plusieurs essais à l'aide d'un prototype des diverses pressions initiales à donner aux gaz de remplissage des chambres sachant qu'il faut obtenir une température d'au moins 100 millions de degrés dans l'axe et de quelques centaines de degrés au droit de la première paroi en contact avec les • az brûlants ( pour avoir un bon rendement de la conversion de la chaleur en énergie ), et ceci en fonction de différents diamètres de chambres possibles. En tout état de cause la fourchette des pressions possibles en fonctionnement continu doit être au minimum supérieure aux 10 -05 atmosphères prévus pour ITER et peut aller jusqu'à plusieurs centaines d'atmosphères, économiquement acceptables, conditionnant la résistance et l'épaisseur des parois des chambres; la fourchette est donc énorme et ouvre toutes les possibilités. Ces calculs conditionneront aussi les dimensions à donner aux chambres en plus de diverses autres considérations économiques.

Le mode de construction des chambres et des tubes contenant les faisceaux de particules est prévu pour permettre, chaque fois qu'un besoin de puissance supplémentaire se fera jour, l'insertion de nouvelles chambres dans l'installation sans interrompre le fonctionnement des autres chambres en activité. Plusieurs solutions sont possibles : - Ces chambres supplémentaires peuvent être de construction identique à celle des chambres mises initialement 40 en place lors de la première mise en service de l'installation, elles sont alors préfabriquées puis glissées ou déposées, en un temps très court à l'emplacement qui leur a été réservé au cours de l'un des arrêts de faisceaux ( ces arrêts, destinés à permettre de reconstituer les faisceaux " usés ", peuvent être programmés à intervalles réguliers dans le cas où il n'est pas possible de faire durer les faisceaux de façon totalement permanente ). - Dans les cas où les faisceaux peuvent fonctionner en continu pendant des mois ou des années sans avoir besoin d'être reconstitués à neuf pendant un arrêt de courte durée, ces chambres peuvent dans ce cas être fabriquées en deux moitiés de part et d'autre d'un plan horizontal axial et assemblées entre elles après mise en place de la moitié inférieure à son exact emplacement dans l'axe du faisceau ; puis la moitié supérieure est superposée et l'assemblage définitif " in situ " est réalisé. Cet assemblage étant terminé il est possible de démonter les tubes dans lesquels circulent les faisceaux, sur toute la longueur de la chambre, sans coupure des faisceaux, ces portions de tubes ayant bien entendu été conçues dans ces zones et dès l'origine de la construction, en deux moitiés démontables suivant leur grand axe. Cette possibilité d'insertion de nouvelles chambres est particulièrement intéressante car elle entraîne des économies considérable : le nombre des aimants de courbure d'origine reste inchangé quelque soit le nombre de chambres rajoutées, seuls les aimants de focalisation et de déviation sont en nombre proportionnel à celui des chambres. Le nombre des cavités d'accélération n'est également pas proportionnel à celui des chambres. Les investissements de base peuvent donc être limités à un nombre réduit de chambres qu'il sera possible d'accroître très économiquement par la suite en fonction des besoins. II est préférable d'isoler les chambres, remplies de gaz divers sous pression, des tubes protégeant les faisceaux qui constituent la plus grande partie de la circonférence totale d'un synchrotron, de façon à ce que le vide puisse être fait à l'intérieur de ces tubes pour éviter les collisions des particules constituant les faisceaux avec des gaz résiduels indésirables. Ce vide n'a pas besoin d'être aussi parfait que dans les synchrotrons de recherche tels le LHC car les faisceaux seront composés préférentiellement d'ions lourds moins sensibles aux interactions parasites que les protons, .ceci en raison de leur masse et donc de leur inertie beaucoup plus élevées, et les volumes concernés sont incomparablement plus faibles d'où de très grandes économies d'investissement en matériels destinés à créer le vide et aux puissances nécessaires pour leur fonctionnement. Pour cette même raison la durée de vie des faisceaux , qui est de l'ordre de 10 Heures dans le LHC, sera également beaucoup plus longue à la condition d'être parfaitement collimatés et rechargés en continu, en effet une production industrielle et commerciale d'électricité doit être continue et ne saurait être interrompue pendant plusieurs heures chaque jour.

Seule l'expérimentation d'un prototype pourra permettre de mesurer réellement ce temps de vie. Si l'objectif d'une réaction en continu sur des temps très longs ne pouvait être atteint il existe plusieurs solutions à ce problème : - Dans le LHC le temps de remplissage de nouveaux faisceaux, après l'arrêt des faisceaux devenus trop hétérogènes, est de 4 minutes plus 20 minutes d'accélération pour obtenir les vitesses relativistes prévues, à ce temps il faut ajouter le temps d'arrêt des faisceaux usés qui peut être quasiment nul si l'on ajoute à l'installation une chambre d'arrêt tel le calorimètre HCAL du LHC, ou mieux il est possible de freiner progressivement mais rapidement les faisceaux sur toute la circonférence du synchrotron et de les arrêter en introduisant des gaz inertes denses sous pression dans les tubes reliant les chambres puis en recréant le vide initial aussitôt après l'arrêt des faisceaux, cette opération peut se faire en un temps de quelques minutes. sans beaucoup compliquer l'installation On peut donc considérer que le temps global de renouvellement des faisceaux " usés " par des " neufs " sera d'un ordre de grandeur de la demi heure, cette opération devant être effectuée par exemple environ une fois par semaine ou au pire une fois par jour. Or l'inertie thermique de l'ensemble de l'installation est considérable puisque il y a d'énormes quantités de chaleur emmagasinées à très haute température dans : gaz de réaction, parois des chambres, couverture tritigène éventuelle, fluide caloporteur de refroidissement, vapeur alimentant les turbines ( éventuellement à l'état " supercritique soit plus de 375 ° et plus de 221 bars avec une densité se rapprochant alors de celle de l'eau ), cette chaleur doit suffire pour alimenter les turbines pendant la demi heure d'arrêt des réactions de fusion. Si l'opération est menée de nuit aux heures creuses le rendement de l'installation, même s'il baisse un peu, n'aura pas de répercussions préjudiciables. Une autre solution encore plus simple consiste à utiliser l'anneau de stockage de l' " Injecteur " (1) non seulement pour renouveler à intervalles réguliers les particules des faisceaux brûlées par les réactions de fusion, mais aussi pour servir de réservoir à des faisceaux " Neufs " en attente et donc injectables immédiatement après la vidange des faisceaux usés, dans ce cas le temps nécessaire pour remplacer les faisceaux usés se réduit encore. Si,. après les tests effectués sur un prototype, il s'avérait qu'aucune de ces solutions n'est suffisante une autre solution pourrait toujours être adoptée qui consisterait à utiliser deux paires de faisceaux contrarotatifs au lieu d'une seule, une paire débouchant en (25) étant au repos ou en cours de rechargement pendant que l'autre paire créerait les réactions de fusion en débouchant en (21 et 22 ) dans les chambres; dans ce cas les dérivations à l'entrée et à la sortie de chaque chambre seront prévues pour permettre cette substitution des faisceaux à l'aide d'aimants adéquats Pour que le vide puisse être réalisé dans les tubes contenant les faisceaux entre les chambres il est prévu d'insérer des " Bouchons " à chacune des entrées et sorties des faisceaux dans les chambres, ces bouchons seront fabriqués dans un matériau aussi " transparent " aux faisceaux de particules et aussi peu épais que possible pour ne pas les affaiblir exagérément, ces bouchons seront traversés ( à l'instar d'une vitre traversée par les rayons du soleil) par les particules des faisceaux ce qui aura pour conséquence de les endommager assez rapidement, aussi des système permettant leur remplacement rapide ou en continu, sans interruption des faisceaux, sont prévus. Une méthode de remplacement de ces bouchons consiste à utiliser une barre de grande longueur de ce matériau " transparent ", de section appropriée, coulissant, à chaque entrée et sortie des chambres, entre les deux tronçons des tubes protégeant les faisceaux, sa largeur est supérieure au diamètre des tubes protégeant les faisceaux et elle sera poussée chaque fois que de besoin ou en continu pour présenter une nouvelle section neuve devant les faisceaux, sans aucune interruption de ceux ci ; des joints étanches pour éviter les déperditions des gaz remplissant les chambres et maintenir un vide suffisant dans les tubes sont prévus. Une fois qu'une barre aura ainsi servi de bouchon sur toute sa longueur, une autre barre identique sera poussée contre elle pour la remplacer et ainsi de suite sans qu'il y ait jamais interruption des faisceaux. De cette façon le réacteur pourra fonctionner pendant plusieurs années avec des bouchons en bon état en permanence , toutes ces opérations peuvent être automatisées. Une autre méthode de remplacement des bouchons consiste à réaliser une couronne de largeur et d'épaisseur convenables dans le même matériau " transparent ", insérée de façon étanche entre les tubes, dont le centre est désaxé par rapport à l'axe des faisceaux, et pouvant donc en tournant présenter une zone neuve devant chacun des faisceaux aussi souvent que de besoin, un peu à la façon d'un barillet de revolver qui en tournant présente les cartouches les unes après les autres devant le canon, ce mouvement rotatif peut être continu ou par à coups, bien entendu des joints d'étanchéité au vide sont prévus pour éviter des fuites des gaz remplissant les chambres, vers l'extérieur et/ou vers le vide interne des tubes abritant les faisceaux.

Les " bouchons " seront bien entendu refroidis autant que de besoin par circulation d'un fluide caloriporteur ou tout autre mode de refroidissement. Les faisceaux collisionneurs, à vitesse relativiste, circulent séparément en sens inverse l'un de l'autre dans des tubes et sont défléchis par des aimants à l'entrée et à la sortie de chaque chambre pour les obliger à collisionner à l'intérieur des chambres , ils sont focalisés par des aimants pour être aussi compacts que possible, ce qui accroît le nombre de collisions, et organisés en " paquets " de longueur sensiblement égale à celle de la partie " active " de chaque chambre, ils sont espacés entre eux par une distance égale à la distance séparant les parties " actives " de deux chambres consécutives, les paquets des deux faisceaux sont synchronisés avec une grande précision afm de collisionner aussi exactement que possible, et sur toute leur longueur, dans la seule zone active des chambres , il n'y a donc pas de collisions de part et d'autre de la partie active centrale de la chambre ceci dans le but d'empêcher que des réactions de fusion se produisent dans les demi sphères d'extrémité et ceci sur une longueur égale à leur rayon, le refroidissement des gaz et les transferts de chaleur peuvent être ainsi réalisés dans les demi sphères dans les mêmes conditions et avec une même distance aux parois et une même charge thermique que dans la partie active cylindrique . Les " paquets " des faisceaux peuvent être continus sur toute leur longueur ou être constitués d'un nombre plus 20 ou moins grand de " sous paquets " se suivant à très courte distance l'un de l'autre pour constituer, comme ci dessus, un seul paquet de longueur égale à celle de la partie active des chambres L'enveloppe des chambres de réaction est constituée de plusieurs couches successives à l'instar de celles des TOKAMAKS : 1 ère paroi en contact direct avec les gaz chauds, couverture tritigène éventuellement, fluide caloporteur de refroidissement, enveloppe extérieure. 25 Des accessoires analogues à ceux des TOKAMACS sont également prévus pour l'approvisionnement en Gaz ( D,T, divers ), l'évacuation des cendres ( Hé ), les déchets de combustion, la récupération de la chaleur etc.. Les faisceaux de particules doivent être ré-accélérés à chaque tour à l'aide d'aimants disposés entre chaque chambre ou groupe de chambres de réaction, ces aimants peuvent évidemment être les mêmes que ceux ayant servi à l'accélération initiale des faisceaux. 30 - Des systèmes sont prévus pour permettre une vidange très rapide des gaz contenus dans les chambres de réaction en cas de début d'emballement de la réaction par exemple. A cet effet les chambres sont reliées par des tubes de forte section à un réservoir central de grande capacité où règne en permanence une légère dépression afm d' aspirer en un temps très court les gaz sous pression de la ou des chambres où un début d'emballement se produirait, la baisse de pression dans cette ou ces chambres arrête 35 instantanément les réactions de fusion. Il est également possible de concevoir le transfert de ces gaz dans des citernes de grande contenance automotrices ou circulant sur rails tout autour de l'installation. En outre les aimants de déviation des faisceaux permettant à ceux ci d'entrer en collision, à l'entrée et à la sortie de chaque chambre, sont prévus de façon à pouvoir en cas de besoin annuler instantanément la déviation des 40 faisceaux empêchant ainsi toute possibilité de collision entre faisceaux et donc mettant fin instantanément aux réactions de fusion, ce qui constitue une double sécurité.. Bien entendu l'ensemble de l'installation est à calculer de façon à ce que le rendement des réactions reste toujours légèrement en dessous des conditions nécessaires à l'ignition c'est à dire au point où les réactions s'auto entretiennent sans aucun apport extérieur d'énergie. - Des systèmes sont prévus pour permettre les opérations de maintenance en toute sécurité à l'intérieur d'une ou plusieurs chambres de réaction sans interrompre le fonctionnement du reste de l'installation. A cet effet des demi tubes destinés à empêcher tout contact avec les faisceaux de particules actifs peuvent être introduits dans chaque chambre, après extraction des gaz, puis l'un des demi tube est disposé sous les faisceaux actifs sans toucher ceux ci, puis l'autre demi tube est déposé sur le premier et les deux moitiés sont assemblées et fixées de façon à permettre de travailler sans risques à l'intérieur des chambres. Ces demi tubes peuvent également être posés sur le fond des chambres lors de la construction de celle ci et y rester en attente pendant toutes les années d'exploitation. Quand les besoins de maintenance l'exigent, et après extraction des gaz, ils sont assemblés comme ci dessus pour protéger les faisceaux . Le grand diamètre des chambres permet d'y travailler facilement malgré la présence de ces tubes. - Bien entendu sont également prévus les moyens connus nécessaires pour renouveler régulièrement les gaz combustibles brûlés grâce à l'injecteur ayant servi à remplir les faisceaux lors du démarrage de l'installation, pour extraire la chaleur destinée à produire la vapeur alimentant les turbines des alternateurs produisant l'électricité déversée dans les réseaux de distributions nationaux et/ou internationaux, alimenter en électricité les installations elles mêmes, évacuer les cendres de la réaction ( Hé en particulier) etc. - Il est prévu d'installer sur place, pour éviter les transports d'électricité à distance, mais sans que ceci soit une obligation, un ou des ateliers de production d'hydrogène destinée à servir de carburant pour toutes sortes de véhicules et en particulier voitures et camions, il est donc souhaitable que cette filière Hydrogène soit développée parallèlement, l'utilisation d'hydrogène comme carburant présente de multiples avantages : répartition partout dans le monde, les déchets produits ne sont que de l'eau et n'ont donc pas d'effet nuisible sur la composition de l'atmosphère et le réchauffement climatique, pas de pollution etc. - Un autre avantage est que le synchrotron utilisé dans le cadre de la présente invention est beaucoup plus simple et moins coûteux qu'un synchrotron de recherche tels le SPS ou le LHC puisqu'il ne comporte aucune chambre d'essai, que le vide peut y être nettement moins poussé et ne concerne que des volumes infimes, en outre son coût s'amortit sur de nombreuses chambres de réaction : 8 ou 16 dans le cas illustré par la Figure 2.

Un autre avantage de la présente invention est qu'un prototype pourrait être construit très rapidement et à un coût très réduit car les techniques et les matériaux nécessaires sont nettement moins sophistiqués que dans un cas comme ITER par exemple et qu'elle met en oeuvre des techniques déjà bien développées. Ce prototype pourrait éventuellement utiliser temporairement tout ou partie d'installations existantes telles le SPS et même le LHC tous deux à Genève , dont il est prévu qu'ils ne fonctionneront que 270 jours par an, ceci au prix d'adaptations relativement peu importantes, dans ce cas seule serait à construire de toutes pièces une " Chambre " de réaction conforme à l'invention. Il serait également possible de construire un pré-prototype sommaire, donc à très bas coût, destiné à ne fonctionner qu'un temps très court juste suffisant pour choisir les pressions nécessaires avec différents mélanges de gTz et affiner les principaux paramètres de fonctionnement, l'utilisation temporaire du SPS et/ou du LHC seraient particulièrement utiles à ce stade, un tel prototype pourrait raisonnablement commencer à être expérimenté sous un délai de deux ou trois ans après la prise de décision de le construire. Les différents avantages liés à la présente invention ouvrent des perspectives de réalisation de la fusion thermonucléaire avec d'autres éléments que le Deutérium et le Tritium qui n'ont pas été envisagées pour le moment faute de puissance suffisante et d'études de faisabilité.

Les dessins annexés illustrent l'invention - La figure 1 est une vue d'ensemble en plan d'une installation complète selon l'invention - La Figure 2 est une coupe verticale, selon son grand axe longitudinal, d'une Chambre de réaction de fusion 10 - La figure 3 est une coupe verticale perpendiculaire à la coupe de la figure 2.

En référence à ces dessins un synchrotron " injecteur " (I) analogue dans son principe au SPS du CERN à GENEVE, ou tout autre système analogue, génère deux faisceaux de particules (2), protons ou ions divers, tournant en sens inverse dans des tubes protecteurs (3), dans lesquels on maintient préférentiellement le vide, 15 l'ensemble de ces tubes (3) constitue un circuit polygonal dont la forme générale en plan est proche du cercle, ces faisceaux sont accélérés à des vitesses relativistes par des chambres d'accélération (4). Des aimants de courbure (5) sont disposés à chaque sommet du polygone qui peut comporter un nombre de côtés variable ( 8 ou 16 dans le cas illustré par la figure 2 ) pour obliger les faisceaux à suivre le parcours désiré, des aimants de focalisation (6) permettent de collimater les faisceaux et de les concentrer au maximum au plus près 20 de leur axe. Des aimants de déviation (7) dévient les deux faisceaux de façon à ce que leurs axes coïncident pour les obliger à collisionner entre eux à l'intérieur des chambres de réaction (8,9) Des chambres de réaction additionnelles (9) dont les contours sont remplis en noir dans la figure 1 peuvent être intercalées dans le circuit dans les cas où l'on souhaite accroître la production d'énergie passant ainsi dans 25 l'exemple illustré par la Figure 1 de 8 à 16 chambres. Les réactions de fusion se produisent dans les chambres de réaction (8) et éventuellement (9) Des alternateurs (10) équipés de turbines transforment en électricité la chaleur apportée par les fluides caloriporteurs provenant des Chambres de réaction et ayant servi à les refroidir, ces alternateurs sont reliés à des réseaux électriques à haute tension non représentés. 30 Des canalisations (Il) représentées en traits tiretés permettent une évacuation rapide des gaz emplissant les chambres (8,9) en cas de besoin, ces gaz peuvent être stockés dans un ou plusieurs grands réservoirs (12) Des demi tubes protecteurs de faisceaux (31) sont prévus pour permettre les travaux de maintenance sans interruption des faisceaux ni de la production électrique Il est prévu, mais ce n'est pas une obligation, de construire une usine de production d'hydrogène (13) utilisant 35 tout ou partie de l'énergie électrique, cette usine est dessinée au centre du polygone mais elle peut tout aussi bien être à n'importe quel autre emplacement. Une voie ferrée ou une route (32) intérieure ou extérieure au circuit des faisceaux peut être prévue pour desservir l'installation et en particulier pour positionner les chambres supplémentaires (9) en cas de besoin Une installation de ce genre est susceptible de fournir des quantités très importantes d'électricité pouvant 40 satisfaire les besoins d'une région ou même d'une nation.

En référence aux figures 2 et 3 l'enveloppe d'une chambre de réaction (8,9) est multicouches, elle est constituée d'une partie centrale de section préférablement cylindrique (14) dont les deux extrémités sont obturées par des calottes hémisphériques ou proches de l'hémisphère (15). En partant de la périphérie et en allant vers le centre d'une chambre (8,9) la couche externe de l'enveloppe est une " peau " (16) de protection métallique ou en toute autre matière adaptée, la couche interne suivante (17) est constituée d'un élément caloriporteur destiné à refroidir la chambre, il sera le plus souvent liquide et permettra la production de vapeur à haute température actionnant les turbines des alternateurs si besoin par l'intermédiaire d'échangeurs de température, la couche interne suivante (18) peut être une couche tritigène pour la production de Tritium nécessaire à la réaction, mais cette couche sera supprimée dans les cas où le Tritium pourra être produit en quantité suffisante d'une autre façon, par exemple par la transmutation interne d'azote au cours des réactions de fusion. La couche interne suivante (19) est destinée à encaisser le flux thermique engendré par la réaction de fusion, elle sera donc préférentiellement réalisée en matériaux réfractaires tels aciers spéciaux, céramiques, carbones.... Le volume intérieur (20) des chambres est rempli de gaz sous pression : Deutérium, Tritium et autres gaz favorisant la réaction de fusion.

Les faisceaux (2) de particules émis par le synchrotron, ou tout autre dispositif analogue, après avoir été déviés par les aimants (7) pénètrent dans les chambres en (21) et (22), chacun des deux faisceaux, tournant en sens inverse, est conformé en "paquets " synchronisés pour ne collisionner que dans la zone centrale (23), des " bouchons " (24) permettent d'isoler les gaz remplissant les chambres des tubes (3), afin que le vide puisse être entretenu dans ces derniers. Le deuxième circuit pouvant être emprunté par les faisceaux en particulier pour la maintenance ou l'ajout de chambres (9) débouche en (25 ) dans les chambres. Différentes ouvertures sont pratiqués dans les enveloppes des chambres, telles (26) pour l'approvisionnement en gaz, (27) pour la régulation de pression, (28) pour l'évacuation des gaz brûles, (29) pour la vidange rapide des gaz, (30) sas d'accès, etc.... Des demi tubes de protection (31) sont disposés en attente sur la fond des chambres (8,9).

Une voie ferrée ou une route (32) , intérieure ou extérieure, peuvent desservir l'ensemble de l'installation

La présente invention est destinée à la production industrielle et à grande échelle d'électricité et éventuellement d'hydrogène pour la propulsion des véhicules, avec valorisation de la chaleur résiduelle pour différentes utilisations dont en particulier le chauffage collectif urbain.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1) Dispositif pour réaliser la fusion thermonucléaire pour la production d'énergie utilisant un synchrotron ou tout autre système d'accélération de particules pour accélérer des faisceaux de particules de haute énergie 5 tournant séparément en sens inverse et collisionnant entre eux caractérisé en ce que ces faisceaux (2), fonctionnant en régime pulsé de paquets de particules séparés les uns des autres, servent à amorcer et entretenir les réactions de fusion dans des chambres de réaction (8) multiples qui sont insérées en chapelet ou comme les perles d'un collier dans un circuit (3) abritant ces faisceaux, préférablement maintenu sous vide et fermé sur lui même pour être quasi-circulaire, le confinement des gaz utilisés pour la fusion est assuré par la pression 10 intrinsèque centripète des gaz divers remplissant sous pression ces chambres de réaction, les fonctions d'allumage et d'entretien des réactions sont dévolues aux faisceaux de particules et sont nettement distinctes des fonctions de réaction de fusion proprement dite qui sont dévolues aux chambres de réaction, ces fonctions peuvent ainsi être optimisées indépendamment les unes des autres, les faisceaux de particules peuvent être constitués de protons ou d'ions plus ou moins lourds , les gaz de réaction sont préférentiellement du Deutérium 15 et du Tritium auxquels sont mélangés d'autres gaz utiles, dont en particulier Azote, Argon, Néon.
2. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les faisceaux de particules (2) peuvent être maintenus en fonctionnement pendant des temps très longs pouvant dans certains cas atteindre la durée de vie de l'installation elle même.
3. 3) Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les paquets de particules constituant les 20 faisceaux (2) peuvent être fractionnés en sous-paquets.
4. 4) Dispositif selon les revendications 1,2,3 caractérisé en ce que d'autres gaz moins faciles à fusionner que le deutérium et le tritium peuvent être utilisés en raison des hautes performances du dispositif qui dépassent le critère de LAWSON
5. 5) Dispositif selon les revendications 1,2,3,4 caractérisé en ce que des bouchons (24), facilement 25 restaurables en continu et préférablement réfrigérés peuvent isoler les chambres de réaction (8,9) du reste du circuit (3).
6. 6) Dispositif selon les revendications 1,2,3 caractérisé en ce que c'est le circuit de 1' injecteur (1) qui est utilisé pour préparer des nouveaux faisceaux neufs (2) en cas d'interruption de longue durée du dispositif.
7. 7) Dispositif selon les revendications 1,2,3 caractérisé en ce que, si nécessaire, un deuxième circuit (3 bis) 30 remplace temporairement le circuit principal (3)
8. 8) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que, si besoin, des chambres supplémentaires (9) peuvent être ajoutées à l'installation sans arrêter les faisceaux de particules (2).
9. 9) Dispositif selon les revendications 1,4 caractérisé en ce que un système (11,12) d'évacuation rapide des gaz emplissant les chambres (8,9) est prévu. 35
10. 10) Dispositif selon revendication 1 caractérisé en ce que sont prévues des installations annexes telles turbines et alternateurs (10), usine de fabrication d' hydrogène (13), utilisation de la chaleur résiduelle pour d'autres applications que la production d'électricité, telle le chauffage collectif.