1. Quel avenir pour le nucléaire ?
École polytechnique de Bruxelles Alumni
Tuesday, March 12, 2013 at 7:00 PM (PDT)
La fusion thermonucléaire
Construction d’ITER
Design de DEMO
Power Plant
Prof. B Weyssow
ULB CP231
Association EURATOM-Etat Belge pour la fusion
bweyssow@ulb.ac.be

2. Qu’est ce que la fusion
thermonucléaire?
Dans le cas qui nous intéresse il s’agit de combiner ensemble deux
atomes d’hydrogène (2 noyaux légers) pour former un atome
d’helium (noyau plus lourd). Cette réaction dégage une grande
quantité d’énergie.
Deutérium + Deutérium → (Hélium 3 + 0,82 MeV) + (neutron + 2,45 MeV)
Deutérium + Deutérium → (Tritium + 1,01 MeV) + (proton + 3,03 MeV)
Deutérium + Tritium → (Hélium 4 + 3,52 MeV) + (neutron + 14,1 MeV)
Deutérium + Hélium 3 → (Hélium 4 + 3,67 MeV) + (proton + 14,7 MeV)

3. Pour que cela arrive, les atomes d’hydrogène doivent être chauffés à de
très hautes températures (100 million de degré) de telle sorte qu’ils soient
ionisés (formant un plasma) et ont suffisamment d’énergie pour fusionner,
puis pour être maintenus ensemble cad confinés, pendant un temps
suffisamment long pour que la réaction de fusion ait lieu.
Pour caractériser cette situation on utilise le critère [un minimum] de Lawson
(1957)
La valeur minimale de
densité électronique * la
durée de confinement
de l'énergie en fonction
de la température.
Pour la réaction DT, le
minimum de neτE est
proche de la
température de 25 keV
(300 millions de
kelvins).

4. On earth the options are: Inertial fusion or magnetic confinement
Le critère de Lawson s’applique dans les deux cas
JET Tokamak,
both before
and during
operation.
Photo: EFDA,
JET

5. Principe du Tokamak
Confinement du plasma (noyaux de
D/T + electrons) par un champ
magnétique
En première approximation les
particules chargées suivent les
lignes de champ magnétique
=> En créant des surfaces
magnétiques fermées on confine le
plasma.
En seconde approximation (champ
électrique, gradient de B, courbure
de B), les particules ne restent pas
dans les surfaces magnétiques, elles
dérivent.
=> Déconfinement (i.e. temps de
confinement)

6. Autres machines à confinement magnétique
RFP, Stellarator (Wendelstein 7-X), Spherical tokamaks

7. Achievements Since the
60th
ITER point on the selfignition curve to be
demonstrate: mainly
physics issues. Needed
results have been obtained
for all the critical
parameters (density,
temperature, pressure,
currents,…) but
individually.
Note: Only trace tritium
experiments have been
performed.
But work still ongoing on
plasma scenarios.

8. Organisation du programme
fusion (EU)
• Association Euratom pour la fusion – i.e. les laboratoires
• EFDA - European Fusion Development Agreement,
organisation qui chapeaute les laboratoires de recherche
en fusion
• F4E – Fusion for Energy, entité légale qui organise la
contribution EU à ITER (essentiellement contrats de
fabrication) == Broader approach (EU-JP) + DEMO
• ITER - International Thermonuclear Experimental
Reactor

9. EFDA
Tous les Laboratories/Institutions EU travaillant sur la Fusion font
partie d’EFDA
• Utilisation
collective du
tokamak JET
• Coordination
renforcée entre les
lab EU en
physique et
technologie
• Formations
• Contributions
aux collaborations
internationales
hors F4E
Compass

10. JET ITER-like wall
JET ITER-like wall project
experiment first wall
700m Beryllium
2
• low Z
• Oxygen getter
Optimise plasma performance
But large erosion & melting
ITER
100m2 Tungsten
W
JET
• Low erosion
• high melting T
• Negligible T retention
Optimise lifetime & T- retention
But high Z & melting
50 m2 Graphite CFC
• Low Z
• No melting in transients
• Superior heat shock behaviour
CFC
Installation sur JET pendant l’année
2010
Optimise heat flux resistance
But large erosion & T retention

11. EFDA Transport Topical Group
Top Priority: edge transport barrier
Standard Tokamak operation relies on the H-mode where
improved confinement comes from the edge pressure gradient
With additional power:
Separatrix
pressure
Steep edge pressure
gradient: H-mode scenario
Most important physics
questions revolve around
the edge transport barrier
distance from axis
H-mode
pedestal
L-mode
distance from axis
X-point
Divertor

12. Physics: turbulence, mhd, …

13. Material science: defects,
migration, dust formation

14. W & W-alloy Development for PFC:
Structure, Heat Sink, Armour
R. Pippan et al.
Increase of Fracture Toughness
Loss of Fracture
Toughness
W
WL10
W26Re
Annealing 1 hour
835 0C
Initial
Microstructure
Non-Affected
1200 0C
Unacceptable
Recrystallisation
Recrystallisation resistance is unacceptably low
New alloys are being developed : W-Ti, W-V for structural
applications, W-Y2O3, W-TiC for armour.
Recrystallisation & Grain-Growth Mechanisms are essential

15. Fuel
D: par distillation de l’eau de mer
(Un litre d'eau de mer contient 33 milligrammes de deutérium )
T: radioactif, ½ vie très courte, mais produit par interaction d’un neutron
avec du Lithium.
Stock: approx. 20kg produits par des réacteurs nucléaires de type
Candu (Canada, Roumanie)
T doit donc être généré dans le
tokamak.
ITER va tester les concepts de “breeding
blanket”. Les neutrons produits par les
réactions de fusion sont absorbés par le
blanket et y produisent des réaction
nucléaires avec du Lithium pour produire
le tritium.

16. A Tokamak Fusion Reactor:
In-Vessel Components
Tritium Breeding Blankets
•
Extract the power deposited by the 14
MeV fusion neutrons to produce energy
•
Produce tritium using the following
nuclear reaction with 6Li
n+ 6Li → T + 4He + 4.78MeV
•
Contribute to shield the vacuum vessel
& super-conductive coils of the magnets
Divertor
•
Exhaust of the alpha particles and
impurities from the plasma

17. Energie produite
L’énergie thermique, transportée par l’Helium
produit par la réaction de fusion est pompée
pour produire de l’énergie electrique.
Une partie de l’énergie électrique produite servira
au fonctionnement du Tokamak et aux systèmes
annexes (Usine du Tritium testée sur ITER). Le
reste sera envoyé sur le réseau.

18. Cost of electricity
(énergie électrique envoyée sur le réseau)
System studies, eg. PROCESS code in Fusion Power Plan
studies show:
CoE depends more heavily on operational and
engineering parameters than on physics variables:
CoE ∝ (
1 0 .6 1
1
)
0
0
0 .3
A
η th.5 Pe0 .4 β N.4 N GW
Availability
Thermodynamic
efficiency
Net electrical power
D J Ward, CCFE EFDARP-RE-5.0[2004]
Physics - high β,
high density
Thus technology development is more important than physics
development at the DEMO Stage.
However the physics
determines if the scenario is basically feasible/attractive
scenario interacts with the technology as a key selection
criterion (via the Divertor and the H&CD)

19. ITER
International
Thermonuclear
Experimental Reactor
En construction à proximité de Cadarache (France).
Ce projet est
destiné à vérifier la
« faisabilité
scientifique et
technique de la
fusion nucléaire
comme nouvelle
source d’énergie».
Le prototype ITER ne produira pas d'électricité, mais de la chaleur.
L'équation Q ≥ 10 symbolise l'objectif scientifique du programme ITER :
produire dix fois plus d'énergie que la machine n'en aura reçu. Conçu pour
produire 500 MW d'énergie de fusion à partir d'un apport externe de 50 MW,

20. ITER construction
Mars 2013

21. Timeline & Budget: ITER
200611-21
Seven participants formally agreed to fund the creation of a nuclear
fusion reactor.
2008
Site preparation start, ITER itinerary start.
2009
Site preparation completion.
2010
Tokamak complex excavation start.
2013
Predicted: Tokamak complex construction start.
2015
Predicted: Tokamak assembly start.
2019
Predicted: Tokamak assembly completion, start torus pumpdown.
2020
Predicted: Achievement of first plasma.
2027
Predicted: Start of deuterium-tritium operation.
2038
Predicted: End of project.
Le budget, initialement estimé à 10 milliards d'euros (50 % pour la construction et 50 %
pour l'exploitation)
Estimé aujourd’hui à 13 milliards d'euros partagés par les 7 membres (représentant 34
pays).

22. EU Fusion Roadmap
•
Horizon 2020 (2014-2020) with five objectives
–
–
–
–
–
•
Construct ITER within scope, schedule and cost;
Secure the success of future ITER operation;
Prepare the ITER generation of scientists, engineers and operators;
Lay the foundation of the fusion power plant;
Promote innovation and EU industry competitiveness.
- Second period (2021-2030):
– Exploit ITER up to its maximum performance and prepare DEMO construction.
•
- Third period (2031-2050):
– Complete the ITER exploitation; construct and operate DEMO.
EU DEMO is the only step between ITER and a commercial fusion power plant:
- Produce net electricity for the grid at the level of a few hundred MWs;
- Breed the amount of tritium needed to close its fuel cycle; and
- Demonstrate all the technologies for the construction of a commercial FPP,
including an adequate level of availability.

23. towards DEMO
Structural Materials
And T breeding
TBM
IFMIF
Components
• SC Magnets
• Tritium Handling System
• Plasma Facing Compts.
• Remote Mainten. System
• Heating System
• Safety
• Test Blanket Modules
ITER
Facilities for Plasma R&D
• Confinement
• Impurity Control
• Plasma Stability
• ITER/DEMO Physics Support
JET
JT60SA
DEMO

24. Irradiation conditions
in ITER, DEMO and Fusion Reactors
ITER
DEMO
Reactor
Fusion Power
0.5 GW
2-2.5 GW
3-4 GW
Heat Flux (First Wall)
0.1-0.3 MW/m2
0.5 MW/m2
0.5 MW/m2
Neutron Wall Load (First Wall)
0.78 MW/m2
< 2 MW/m2
~2 MW/m2
Integrated wall load (First Wall)
0.07 MW/m2
(3 yrs inductive
operation)
5-8
10-15
MW.year/m2 MW.year/m2
Displacement per atom
<3 dpa
50-80 dpa
Transmutation product rates
(First Wall)
~10 appm He/dpa
~45 appm H/dpa
100-150 dpa
~10 appm He/dpa
~45 appm H/dpa
Fuel Cladding in Fast Neutron Reactors:
~100 dpa
But H and He production ~0.1-1 appm/dpa

25. 2010
2050

26. Funding: Hypothesis

27. EFDA-times model: energy
market in the future
Not based on extrapolations rather uses rules an
boundary conditions.
The model “invests” in new power plants to
accommodate population growth and economic
development and to replace “old” plants, which
are phased out after a specified technical
lifetime.
15 regions in the world, 2100 is
the time horizon.
used to study possible fusion
energy, and cost goal in
order to make it competitive
in some country/ region
under selective scenario
assumptions.

28. Conclusion: 2050
Artist’s impression based on European Fusion Power Plant Conceptual Study