Physique, technologie et économie des réacteurs de fusion
Physics, Technology and Economics of Fusion Power Plants
EURATOM/UKAEA Fusion Association, Culham Science Centre, Abingdon (Grande-Bretagne)
L’énergie de fusion entre dans une ère de réalisations pratiques. La physique des plasmas, la science des matériaux et la technologie ont atteint un stade où les étapes supplémentaires à franchir peuvent être clairement envisagées et les solutions aux principales difficultés bien cernées et largement acceptées. En plus d’ITER, ces avancées nécessitent en parallèle la construction et l’exploitation de l’installation d’irradiation IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility), avant la construction du premier réacteur de fusion producteur d’électricité : DEMO. Les lignes directrices d’une stratégie de développement ont été formulées en s’appuyant sur des études approfondies de différents concepts de réacteur de fusion commercial. Cet article présente une synthèse, focalisée sur les analyses déterminant les paramètres conduisant à une conception optimale et mettant en lumière les éléments de physique et de technologie qui gouvernent la performance économique, les validations économiques elles-mêmes, et les besoins nécessaires au développement de la fusion. Les détails des concepts européens sont décrits dans l’article de D. Maisonnier et les développements de matériaux dans l’article d’A. Möslang.
Une modélisation “système” auto-consistante intégrant l’ingénierie, la physique des plasmas et l’évaluation des coûts d’un réacteur de fusion électrogène révèle que les paramètres gouvernant la performance économique sont par ordre décroissant d’importance :
• La disponibilité, qui dépend fortement de la durée de vie des couvertures et du divertor, ainsi que de la fiabilité des autres systèmes, spécifiquement des composants internes à l’enceinte ;
• Le rendement de la conversion d’énergie, qui dépend de la température de fonctionnement et du facteur de multiplication de la couverture ;
• La puissance électrique nette délivrée au réseau : la physique des plasmas favorise les unités de grande taille ;
• Le chargement thermique sur le divertor ;
• La pression normalisée du plasma ;
• La densité normalisée du plasma.
Des objectifs pour l’optimisation des régimes des plasmas de fusion, des matériaux et de la technologie peuvent être déduits de ces considérations, conduisant à l’élaboration de plans de développements bien justifiés.
En termes absolus, un concept de centrale, avec une physique des plasmas conservatrice utilisée pour ITER et une technologie avec des extrapolations faibles sur les couvertures et les matériaux, aurait un coût de l’électricité inférieur à celui d’une centrale photovoltaïque, similaire à celui d’une ferme éolienne sans stockage, et de façon générale compétitif dans un futur marché de l’énergie. Des concepts avancés au niveau de la physique des plasmas et des hypothèses faites sur les matériaux conduisent naturellement à des coûts plus bas. Des calculs ont aussi été faits sur les coûts externes liés à la production d’électricité par un réacteur de fusion et des comparaisons avec les autres sources d’énergie réalisées : la fusion présente des coûts externes très faibles, similaires à ceux de l’éolien et donc beaucoup plus faibles que ceux des énergies fossiles. La fusion a été intégrée dans des modèles auto-consistants de scénarios prenant en compte les aspects énergiques, environnementaux et économiques de l’Europe de l’Ouest, de l’Inde et l’Asie. Très généralement, la fusion pourrait capturer 20 % du marché de l’électricité à la fin de ce siècle, éventuellement plus tôt si des stratégies de type “fast track” sont adoptées. Les implications économiques de différents calendriers de développement de la fusion seront brièvement discutées. D’une façon générale, les analyses économiques, ainsi que les avantages de la fusion en termes de sûreté, d’incidences sur l’environnement, de disponibilité de combustibles presque illimitées, prouvent que la fusion est une option attrayante pouvant contribuer à moyen et à long terme à une production d’énergie durable.
Abstract
Fusion power is now moving towards practical realisation. The plasma physics, materials science and technology have all reached the stage where the remaining development requirements can be readily envisaged and approaches to the resolution of the principal issues have been evolved and are broadly accepted. As well as ITER, these entail the parallel construction and exploitation of the International Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF), before the construction of the first electricityproducing DEMO plants. Guidance in formulating the development strategies has been provided by extensive conceptual design studies of commercial fusion power plants. This paper gives an overview, focussing on the analyses that determine the parameters of optimal conceptual designs and reveal the key physics and technology determinants of economic performance, the economic assessments themselves, and the implications for fusion development needs. The European conceptual design activities themselves are covered in some detail in the paper by D. Maisonnier, and materials developments in the paper by A. Moeslang.
Self-consistent systems modelling of the engineering, plasma physics and costing of a commercial fusion power plant reveals that the primary determinants of economic performance are the following, roughly in diminishing order of importance.
• Availability, which depends upon the lifetime of the blanket and divertor, before they need to be replaced, and the reliability of all the systems, especially the invessel systems.
• Energy conversion efficiency, which depends on the operating temperature and energy multiplication of the blanket.
• The net electrical output of the plant: the plasma physics favours large unit size.
• The heat load on the divertor.
• The normalised plasma pressure.
• The normalised plasma density.
From these and other considerations, the requirements for optimisation in fusion plasma regimes, materials and technology can be inferred, and well-justifi ed development roadmaps constructed. In absolute terms, a conservative power plant concept, with plasma physics based on the conservative ITER design rules and technology based on the prime near-term candidate blankets and materials being developed in the European fusion programme, would have a lower cost of electricity than the expected future performance of solar photovoltaic, and similar to wind power including storage. The assumption of some reasonable progress by ITER beyond its design assumptions leads to power plants with cost of electricity competitive with wind power without storage, and likely to be generally competitive in the future energy market. Designs advanced in their plasma physics or materials assumptions naturally have lower cost of electricity. Calculations have also been made of the ‘external’ costs of electricity generation by fusion, and comparisons made with other sources – fusion has very low external costs, similar to wind and much lower than fossil fuels. Fusion has been incorporated into comprehensive self-consistent models of future energy/environment/economic scenarios for Western Europe, India and the Asia-Pacific region.
Very broadly, fusion, if constrained by earlier plans for the rate at which it would be developed, would capture twenty percent of the electricity market by the end of this century, or earlier if the more-recently developed ‘fast track’ strategies were adopted. The economic implications of different timescales of fusion development will be briefl y discussed. Overall, the economic analyses, together with fusion’s good safety and environmental characteristics and almost unlimited fuel supplies, show that fusion is an attractive option to contribute in the medium and long term to sustainable energy generation.
© SFEN 2007