ITER, un projet majeur pour l'avenir energétique mondial
En France, dans les Bouches-du-Rhône, 35 pays sont engagés dans la construction du plus grand Tokamak jamais conçu qui doit démontrer que la fusion – l’énergie du Soleil et des étoiles – peut être utilisée comme source d’énergie à grande échelle, non émettrice de CO2, pour produire de l’électricité.
Les résultats du programme scientifique d’ITER seront décisifs pour ouvrir la voie aux centrales de fusion électrogène de demain.
Source : www.iter.org
Un projet énergétique au service de l'humanité
Au sortir de la Seconde Guerre mondiale, les grandes puissances du monde bipolaire d’alors se lancent dans une intense compétition autour des questions énergétiques. L’enjeu est d’assurer l’extraction des ressources nécessaires à la production et la diffusion d’énergie en direction d’une population grandissante et dont la période du Baby-boom a accru les besoins matériels.
Très vite, les Etats se retrouvent face à la problématique de l’approvisionnement et du stockage de ressources. Le tout dans un climat de volatilité du coût des énergies, régulièrement influencé par les événements et les crises géopolitiques successives.
En France, l’énergie nucléaire est choisie dans les années 1960 comme le moyen le mieux adapté pour répondre quantitativement aux besoins de la population et des acteurs économiques. Elle est progressivement destinée à se substituer à des types de production traditionnels, tels que le charbon.
Au fil des décennies, une prise de conscience des enjeux environnementaux en matière de production énergétique rebat les cartes. A l’enjeu quantitatif est venu s’ajouter celui de l’impact environnemental et notamment des rejets de gaz à effet de serre. La prise en compte des risques devient partie intégrante du débat.
Dans ce contexte, de grands décideurs privilégient la coopération pour faire progresser la recherche et mettre en œuvre des solutions communes bénéficiant à l’ensemble de l’humanité.
Coopération et consensus
entre puissances mondiales
Au milieu des années 1980, conscients des enjeux croissants autour de l’énergie, sa consommation, sa diffusion et ses modes de production, plusieurs Etats et institutions politiques favorisent une démarche commune de recherche d’une alternative énergétique à des fins pacifiques. En 1985, une collaboration internationale est lancée : ITER, de l’anglais International Thermonuclear Experimental Reactor qui, en latin, signifie également « le chemin ». ITER Organization réunit aujourd’hui la Chine, l’Union européenne, l’Inde, le Japon, la Corée, la Russie et les États-Unis ; soit 35 pays au total. Le Conseil ITER en assure la promotion et la direction stratégique.
Le site de 42 hectares sélectionné pour mener à bien le projet est localisé à Saint-Paul-lez-Durance (13), après avoir fait l’objet d’études techniques (normes géologiques, hydrologiques et sismiques ; accès à l’eau et au réseau électrique). La proximité avec le CEA-Cadarache, qui a fourni son assistance, est également un atout majeur.
La commune des Bouches-du-Rhône est ainsi devenue le carrefour de scientifiques et d’ingénieurs du monde entier. Ces compétences se développeront sur les 35 ans que durera le projet, conduit sous forme d’expérimentation. Car ITER est, avant tout, conçu pour rendre possible les productions de demain.
L’enjeu est de construire les bases d’une alternative en matière de production d’électricité, basée sur le modèle de la fusion naturelle qui se produit au cœur du Soleil et des étoiles ; une électricité non plus produite par l’énergie des combustibles fossiles et des réactions de fission nucléaire. Cette alternative plus propre et plus durable permet de développer une source d’énergie sans émission de CO2.
Le Tokamak
L’expérimentation se réalisera au moyen d’un tokamak, un concept de machine élaboré dans les années 1950 par les scientifiques soviétiques. Le tokamak d’ITER, le plus grand jamais construit, est le cœur de ce projet humain, économique et énergétique.
Réussir le pari ITER, c’est ouvrir de nouvelles voies de production d’énergie pour les générations futures. Réussir la fusion dans le tokamak c’est rendre possible les centrales de fusion électrogène au service des besoins énergétiques de l’Humanité.
D’importants moyens financiers, humains (900 salariés ITER, 500 sous-traitants et 150 « associés »), scientifiques et technologiques inédits ont été déployés afin d’atteindre ces objectifs ambitieux. La gouvernance partagée et intergouvernementale porte également sur le financement. Comme le stipule l’Accord ITER, chaque pays contribue à une partie des frais de construction et bénéficiera de l’ensemble des résultats scientifiques obtenus. Une étude de l’Union Européenne a estimé à environ 13 milliards d’euros le coût de la construction d’ITER.
Le tokamak d’ITER sera le plus puissant en activité dans le monde. Il pourra ainsi :
- Produire 500MW de puissance de fusion.
Un record dans la mesure où celui détenu par le tokamak européen JET s’élève jusque-là à 16 MW. Cette puissance de 500MW sera le fruit d’une puissance en entrée de 50 MW, soit un ratio « Q » de 10 (contre 0,67 pour JET).
- Démontrer le fonctionnement intégré des technologies d’une centrale de fusion électrogène. Le tokamak ITER permettra d’étudier les plasmas tels qu’ils évoluent dans une centrale de fusion électrogène et de tester de multiples technologies (chauffage, contrôle, diagnostic, cryogénie, télémaintenance).
- Réaliser un plasma auto-entretenu. Les plasmas d’ITER produiront plus de puissance de fusion que les actuels plasmas de combustion. Ils demeureront stables sur des durées plus longues.
- Démontrer la sûreté d’un dispositif de fusion. C’est un des principaux défis du projet : démontrer que les réactions de fusion au cœur du plasma sont sans impact pour les populations et l’environnement.
Au-delà de la phase d’expérimentation, l’objectif est d’aboutir à la commercialisation de l’électricité produite. Le retour d’expérience et les connaissances et savoir-faire consolidés sur ITER favoriseront la conception d’un réacteur de démonstration (DEMO) en vue de l’industrialisation de la production, à l’horizon 2040.
L’un des défis d’ITER repose dans sa capacité à permettre la production future d’une énergie sans rejet de CO2 à l’heure où l’augmentation de population entraîne mécaniquement une augmentation de la consommation.
La fusion
LE PRINCIPE PHYSIQUE
Le noyau des atomes est composé de neutrons et protons, qui tiennent ensemble grâce à la force la plus intense de la nature : l’interaction forte, responsable de « l’énergie de liaison nucléaire ». Cette énergie peut être libérée de deux façons :
- soit en cassant des noyaux lourds : c’est ainsi que fonctionne une centrale nucléaire actuellement
- soit en fusionnant des noyaux légers : ce qui se passe dans les étoiles
Dans un tokamak, trois conditions doivent être remplies pour obtenir des réactions de fusion : une température très élevée (de l’ordre de 150 millions de degrés Celsius), une densité de particules suffisante pour produire le plus grand nombre de collisions possibles, et un temps de confinement de l’énergie suffisamment long pour que les collisions se produisent avec la plus grande vitesse possible.
Lorsqu’un gaz est porté à très haute température, les atomes se dissocient : les électrons et les noyaux sont séparés les uns des autres et le gaz se transforme en plasma (quatrième état de la matière). C’est dans ce milieu que les noyaux légers peuvent fusionner et générer de l’énergie.
Dans un tokamak, des champs magnétiques très puissants sont mis en œuvre pour confiner et contrôler le plasma.
© www.iter.org / www.cea.fr
Ortec & Iter
Spécialiste des services aux secteurs énergétiques, au cœur des défis industriels et sociétaux contemporains, le Groupe Ortec s’est fortement mobilisé pour être partie prenante du projet ITER. Les savoir-faire de ses équipes en matière d’ingénierie, de calcul, de levage, de soudage, de tuyauterie, etc., son expertise dans le secteur du nucléaire et sa capacité à gérer de grands projets en font un interlocuteur reconnu.
Cette ambition, fruit d’années d’investissement au service des projets d’envergure des acteurs du nucléaire (en assurant études, travaux neufs ou maintenance des centrales) s’est concrétisée, dès 2015 avec les contrats d’études sismiques et se poursuit depuis.
Afin de coordonner l’activité et le calendrier de ce projet -des études à la réalisation- le Groupe Ortec au sein du Département Grands Projets Energie (GPE) mobilise ses filiales SOM et Orys, spécialisées dans le nucléaire.
“Cette organisation a été éprouvée sur divers centres de production d’énergie (CNPE), au cours des chantiers DUS (Diesel Ultime Secours) sur lesquels le Groupe s’est également fortement impliqué” assure Yannick Fons, Directeur de Orys GPE.
Expertises à haute valeur ajoutée
Porteur d’un savoir-faire dans les projets complexes de la filière énergétique, Ortec a remporté dès 2015 quatre importants contrats sur le projet ITER :
- BOP Group 4 : Travaux de tuyauterie transport d’hélium liquide en groupement.
- TCC-0 : Travaux de tuyauterie de refroidissement réalisés en groupement.
- TAC-2 : Etude / conception / essais / réalisation d’opérations de levage et manutention, assemblage mécanique. (co-entreprise – Dynamic)
- Soudage des gonds des 47 portes blindées du bâtiment réacteur. (sous-traitance lot TB-03)
Cet engagement conduit le Groupe Ortec à réaliser des opérations de haute technicité, inédites, du fait de l’aspect expérimental du projet. L’unicité de ce projet fait qu’il combine des expertises spécifiques acquises et une montée en compétences progressive et régulière.
« Ce projet favorise le développement d’innovations » assure Yannick Fons. En effet, « beaucoup d’opérations comportent de fortes particularités techniques. Il faut anticiper les manipulations et actions de manutention, innover. Ortec s’y emploie au fur et à mesure de l’avancement des opérations afin de trouver les meilleurs outils pour chaque opération ».
SOM (filiale du Groupe Ortec) assure les prestations de Calcul.
Sur le contrat TB 04, ces prestations portent sur la flexibilité et le supportage au sein du bâtiment 11 (8 niveaux, 27 km de tuyauteries, 11 000 supports). Les équipes exploitent la maquette 3D PDMS afin d’en extraire la géométrie des tuyauteries et supports et réalisent la modélisation des éléments au moyen de logiciels dédiés.
La mission Calcul est multiple :
- analyse de l’ensemble des contraintes applicables : séismes, incendies, accidents de type « perte de réfrigérant », etc.
- livraison des requis des normes de conception dédiées (NF-EN 13480)
- préconisation sur des modifications et renforcements nécessaires à la tenue mécanique de l’installation
- prise en compte de l’environnement réel de l’installation afin de trouver le meilleur compromis « calcul / design »
- standardisation des supports
L’optimisation des coûts d’études, d’approvisionnement et de fabrication font également partie des engagements des équipes SOM.
Sur le contrat TAC2, l’activité Calcul se concentre sur les outillages. Après une phase de conception (design, CAO et plans de fabrication réalisés par Ortec), des opérations de modélisation et de calcul sous charge d’exploitation ont lieu. Un groupe de travail a été constitué en amont afin de préconiser d’éventuels renforcements et leur faisabilité. Une fois ces préconisations prises en compte, la phase de fabrication se développe.
Le service « Soudage, Contrôle et Inspection » (SCI) du Groupe Ortec, en appui de l’agence Orys Marcoule, est lui aussi mobilisé.
Il a conçu et réalisé un système mécanisé destiné à souder les gonds des 50 portes assurant le cloisonnement absolu du tokamak. Cinq mois de tests et d’ajustement ont été nécessaires pour proposer cet équipement spécial sur-mesure. Pour le succès de sa mission, le SCI forme des soudeurs et techniciens Orys au programme de soudage et de préchauffage. Plus de 400 pages de documentation ont été rédigées.
Le soudage de ces portes (5m de long, 4 de haut, 70cm d’épaisseur, 70 tonnes) représente la première opération de soudage sensible, sur le chantier.
25 kg de métal déposé par porte
10 km de soudures
2 km de câbles
26 qualifications
TRAVAUX DE TUYAUTERIE
- Les équipes Ortec ont été mobilisées sur les travaux d’installation des tuyauteries des lignes cryogéniques. Préfabriquées par Air-Liquide, ce sont au total 200 spools pesant chacun entre 2 et 10 tonnes et mesurant de 7 à 14 mètres que nos équipes ont manutentionnés et installés.
- Les équipes d’Ortec ont réalisé dans le cadre du contrat TCC0 des lignes de tuyauterie en INOX du circuit de refroidissement PBS26. Préfabrication, soudage sur chantier et épreuves hydrauliques. 4600 soudures (ASME) et 43 tonnes de supports installés.
Au sein du groupement DYNAMIC, les équipes Orys GPE sont, en charge de la manutention et du levage des pièces constitutives des 9 sections du tokamak.
- Tf coil
- Vacuum vessel
Le 20 août 2020, après plusieurs semaines de préparation et de calculs, ingénieurs et levageurs ont assuré la manutention d’un élément du Vacuum Vessel (VV) en acier inoxydable et de son support, d’un poids total de plus de 490 tonnes.
Fabriquée en Corée du Sud, la pièce a été acheminée par bateau jusqu’au terminal de Fos-sur-Mer, avant son transfert par camion vers le site ITER. L’ensemble des actions prévues – levage, déplacement et dépose de la pièce sur son nouveau lieu de stationnement, quelque 40 mètres plus loin – se sont parfaitement déroulées, au moyen d’un pont roulant (750 tonnes de capacité).
Début 2021, le basculement à la verticale de la pièce se réalise au moyen d’un upending tool avant son transfert vers deux SSAT (piliers tripodes) pour l’installer ensuite vers la fosse (PIT) du tokamak.
Ce type d’opération sera renouvelé huit fois et permettra, d’ici 2025, la mise en place de la chambre à vide étanche dans laquelle se produiront les réactions de fusion.
La Sécurité, un enjeu prioritaire
Dans les milieux industriels particulièrement exposés, les équipes Ortec accompagnent tous les projets pour améliorer la prévention et sécuriser les activités, dans un souci permanent du respect des règles et des normes applicables. Sur l’ensemble de ses chantiers, le Groupe Ortec fait de la sécurité des personnes et de la sûreté des installations sa priorité.
Cet engagement se place ainsi naturellement au service du projet ITER, dans la totalité des opérations sur lesquelles GPE s’investit. Les équipes Ortec mobilisées sur ITER sont porteuses de cette culture sécurité. Elles sont fiables, responsables, vigilantes à la sécurité des opérations.
Ortec présente une gamme de certifications confirmant cet engagement.
- ISO 9001 : étude et réalisation de projets et prestations de maintenance dans les secteurs de l’énergie (nucléaire, hydraulique) et de l’industrie, dans les domaines de la mécanique, de l’électricité, du démantèlement, de la décontamination, de la manutention et du transport.
- CEFRI-E : réalisation d’activités sous rayonnements ionisants en installations nucléaires.
- MASE : certification pour les activités de maintenance industrielle dans les domaines de la mécanique, de la robinetterie, de la chaudronnerie, de la tuyauterie, du démantèlement nucléaire.
Glossaire
Source d’énergie alimentant le Soleil et les étoiles.
En leur sein, la pression et les immenses températures provoquent des collisions entre les noyaux d’hydrogène les composant. C’est alors qu’ils fusionnent pour former des atomes d’hélium. Une quantité considérable d’énergie s’en dégage. Sur ITER, la fusion se produit entre le deutérium et le tritium grâce à une température extrême (150 millions de degrés Celsius), une grande densité de particules (pour provoquer le plus grand nombre de collisions possibles) et un temps long de confinement de l’énergie.
Etat du gaz d’hydrogène à l’intérieur du tokamak sous l’influence de la pression et d’une température extrême.
Equipement expérimental destiné à exploiter l’énergie de la fusion (acronyme russe signifiant « chambre toroïdale avec bobines magnétiques »). Les parois de sa chambre à vide captent l’énergie générée par la fusion des noyaux, pour la transformer en chaleur. Cette dernière servira à produire de la vapeur et enfin, à l’aide de turbines, de l’électricité.
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