Fusion nucléaire

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Le soleil, siège de nombreuses réactions de fusion nucléaire

La fusion nucléaire (dite parfois thermonucléaire) est, avec la fission, l'un des deux principaux types de réactions nucléaires. Il ne faut pas confondre la fusion nucléaire avec la fusion du cœur d'un réacteur nucléaire qui est un accident nucléaire particulièrement redoutable.

La fusion nucléaire est un processus où deux noyaux atomiques s'assemblent pour former un noyau plus lourd. La fusion de noyaux légers dégage d'énormes quantités d'énergie provenant du défaut de masse (cf. énergie de liaison).

Cette réaction est à l'œuvre dans le soleil et certaines étoiles de notre univers.

Sommaire

1 Mécanisme de la fusion
2 La fusion contrôlée
3 Applications industrielles
4 Import d'énergie nucléaire, à fusionner
5 Voir aussi
6 Liens externes

[modifier] Mécanisme de la fusion

Bien que chargés positivement et se repoussant d'après la loi de Coulomb, deux noyaux peuvent se percuter et leur collision entraîner une réaction de fusion nucléaire, si les noyaux s'interpénètrent. Pour cela, ils doivent se trouver dans un état d'agitation thermique très élevé (voir plus bas : Plasmas de fusion). Au sein du soleil par exemple, la température atteint 15 millions de degrés Celsius pour réaliser la fusion de l'hydrogène en hélium. Dans certaines étoiles plus massives, des températures plus élevées, permettent la fusion de noyaux plus lourds. Ces températures augmentent la probabilité que les noyaux franchissent la barrière de potentiel coulombien par effet tunnel.

Lorsque de petits noyaux fusionnent, le noyau résultant se trouve dans un état instable et doit revenir à un état stable en émettant une particule (photon, électron ou autre). Une partie de l'énergie excédentaire est transmise à la particule émise sous forme d'énergie cinétique. L'autre partie est libérée sous forme de chaleur (réaction exothermique) et forme ainsi une chaîne qui s'auto-entretient.

Quand aucun état stable n'existe, il n'est pas toujours possible de provoquer la fusion de deux noyaux (exemple : ⁴He + ⁴He).

Fusion nucléaire.

Les réactions de fusion qui dégagent le plus d'énergie sont celles qui impliquent les noyaux les plus légers. Ainsi les noyaux de deutérium (un proton et un neutron) et de tritium (un proton et deux neutrons) sont impliqués dans les réactions suivantes :

Deutérium + Deutérium → Hélium 3 + neutron
Deutérium + Deutérium → Tritium + proton
Deutérium + Tritium → Hélium 4 + neutron
Deutérium + Hélium 3 → Hélium 4 + proton

Ce sont ces réactions qui sont les plus étudiées en laboratoire lors d'expériences de fusion contrôlée.

[modifier] La fusion contrôlée

Il existe différents systèmes permettant d'arriver à produire des réactions de fusion atomique, notamment la fusion par confinement magnétique et la fusion par confinement inertiel.

La fusion par confinement magnétique :

les Tokamaks où l'on confine un mélange gazeux d'isotopes d'hydrogène grâce à un champ magnétique produit par des bobines et un courant induit circulant dans le plasma (exemples : Tore Supra, ITER)
les Stellarators où le confinement est entièrement assuré par les bobines (exemple : Wendelstein 7.x)
les machines à Piège à Miroirs Magnétiques, qui pourraient aussi être utilisées pour la propulsion spatiale

La fusion par confinement inertiel :

les machines à Confinement Inertiel par Laser où une microbille d'isotopes est irradiée par de puissants lasers (exemple : Laser Mégajoule)
les machines à Striction axiale (ou Z-pinch) où une pastille d'isotopes est comprimée par des impulsions de Rayons-X (exemple : Z machine (plus de 3 milliards de degrés atteints !) des Laboratoires Sandia)

[modifier] Plasmas de fusion

À la température à laquelle la fusion est susceptible de se produire, la matière est à l'état de plasma. Il s'agit d'un état particulier de la matière dans lequel les atomes ou molécules forment un gaz ionisé.

Un ou plusieurs électrons du nuage électronique qui entoure chaque noyau ont été arrachés, laissant des ions chargés positivement et des électrons libres, l'ensemble étant électriquement neutre.

Dans un plasma thermique, la grande agitation des ions et des électrons produit de nombreuses collisions entre les particules. Pour que ces collisions soient suffisamment violentes et entraînent une fusion, trois grandeurs interviennent :

la température T ;
la densité N ;
le temps de confinement τ.

Le critère de Lawson établit que le facteur Nτ doit atteindre un certain seuil pour obtenir le breakeven où l'énergie libérée par la fusion est égale à l'énergie dépensée. L'ignition se produit ensuite à un stade beaucoup plus élevé de production d'énergie (impossible à créer aujourd'hui dans les réacteurs actuels). Il s'agit du seuil à partir duquel la réaction est capable de s'auto-entretenir. Pour la réaction deutérium + tritium, ce seuil est de 10¹⁴ s/cm³.

[modifier] Analyse de la réaction Deutérium + Tritium

L'énergie de liaison des constituants provient de la force d'interaction nucléaire forte, l'une des quatre forces d'interaction fondamentales de l'univers.

Or l'investissement énergétique à fournir pour rompre cette liaison est proportionnel au produit des charges électriques des deux noyaux en présence. C'est pourquoi le choix pour la fusion s'est porté sur le deutérium et le tritium, deux isotopes lourds de l'hydrogène, pour lesquels ce produit vaut 1.

L'énergie minimale à fournir pour obtenir une fusion est de 4 keV (équivalent à une température de 40 millions de degrés) ; l'énergie libérée est alors de 17,6 MeV répartie pour 80% dans les neutrons émis et pour 20% dans l'hélium4 produit.

Mais l'énergie nécessaire pour atteindre le critère de Lawson et un rendement suffisamment positif se situe vers 10 keV soit 100 millions de degrés.

[modifier] Problème de pollution

La réaction deutérium + tritium se traduit par une émission de neutrons rapides. Ces neutrons sont impossibles à confiner électromagnétiquement car ils ont une charge électrique neutre et ne peuvent être capturés à l'aide de champs électromagnétiques. Ils sont donc susceptibles d'être capturés par les noyaux d'atomes de la paroi de l'enceinte, qu'ils transmutent parfois en isotopes radioactifs (phénomène d'activation). L'activation peut s'accompagner de production de noyaux d'hélium, susceptibles de fragiliser les matériaux de structure. Elle pourrait compliquer l'usage industriel de la fusion, et fait l'objet d'études avec différentes propositions de solutions (par exemple parois en composites, ou encore alliages spécifiques de fer), mais elles nécessitent des études expérimentales difficiles à réaliser à court terme. Les réactions générant des neutrons ne sont donc pas totalement « propres », mais sont toutefois nettement moins génératrices de déchets que les réactions nucléaires de fission nucléaire.

[modifier] Applications industrielles

Si la fusion a pu être utilisée dans les bombes H, il n'existe pas pour l'instant d'applications industrielles de la fusion pour la production d'électricité. Mais un projet est en cours : ITER.

[modifier] Import d'énergie nucléaire, à fusionner

N.B. : Voir Tokamak pour une explication plus complète.

La fusion de noyaux d'isotopes lourds de l'hydrogène (deutérium et tritium) aboutissant à la formation d'hélium n'est encore qu'expérimentale, car les conditions de fusion sont extrêmement difficiles à obtenir. L'obtention de la fusion nucléaire nécessite des conditions de température et de pression drastiques afin que les noyaux aient l'énergie suffisante pour vaincre la « barrière de potentiel » électrostatique qui existe entre eux.

Concrètement, on comprime et on chauffe (par diverses méthodes) un mélange deutérium-tritium jusqu'à ce qu'il soit à l'état de plasma. En terme de température, il faut atteindre 100 millions de degrés pour que la réaction de fusion ait lieu (N.B. : Le soleil se contente de 16 millions de degrés mais il n'effectue pas la fusion telle que présentée dans cette partie). Si le deutérium est disponible naturellement en grandes quantités dans les océans, mais nécessite la mise en place de méthodes très complexes pour en être extrait, le tritium doit être préparé artificiellement car il ne se trouve qu'en très petite quantité dans le milieu naturel de par sa nature d'isotope radioactif à courte durée de vie. L'intérêt de la fusion nucléaire est qu'elle pourrait potentiellement produire beaucoup plus d'énergie, à masse de combustible égale, que la fission. De plus, les océans contiennent naturellement suffisamment de deutérium pour permettre d'alimenter en énergie la planète pendant des millénaires, et les produits de la réaction de fusion (principalement de l'hélium ⁴He) ne sont pas radioactifs. Cependant, la fusion deutérium + tritium provoque l'émission de neutrons de haute énergie qui, en allant interagir avec la matière environnante, vont créer des produits d'activation, qui sont radioactifs, mais dont la durée de vie est bien inférieure à celle des produits radioactifs créés dans les centrales à fission nucléaire.

Plusieurs méthodes permettant d'obtenir une fusion sont actuellement explorées :

Tokamak : Chambre de confinement magnétique de plasma. Exemples : Tore Supra, JET, ITER
Fusion par confinement inertiel : Microbilles comprimées par laser. Exemple : Laser Mégajoule
La possibilité d'une fusion froide en utilisant les propriétés du palladium ou la sonoluminescence ne semble pas vérifiée.

Les conditions de fusion ont été obtenue en mars 2006 dans une « z-machine » a confinement axial : http://www.sandia.gov/news/resources/releases/2006/physics-astron/hottest-z-output.html Les travaux ont commencé sur la conception d'un réacteur expérimental à impulsion utilisant ce principe