Fusion nucléaire
La fusion nucléaire est un des deux types de réaction thermo-nucléaire. C'est un processus où deux noyaux atomiques s'assemblent pour former un noyau plus lourd. La fusion de noyaux légers dégage d'énorme quantité d'énergie provenant du défaut de masse (cf. énergie de liaison).
Cette réaction est à l'œuvre dans le Soleil et toutes les étoiles de notre univers.
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Mécanisme de la fusion
Bien que chargés positivement et se repoussant d'après la loi de Coulomb, deux noyaux peuvent se percuter et la collision peut entraîner une réaction de fusion nucléaire (si les noyaux se rapprochent à une distance inférieure ou égale à leur diamètre). Pour cela, ils doivent se trouver dans un état d'agitation thermique très grand (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 hautes, permettent la fusion de noyaux plus lourds.
Lorsque de petits noyaux fusionnent, le noyau résultant se trouve dans un état instable et doit décroître vers 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).
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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 → Hélium3 + neutron
- Deutérium + Deutérium → Tritium + proton
- Deutérium + Tritium → Hélium4 + neutron
- Deutérium + Hélium3 → Hélium4 + proton
Ce sont ces réactions qui sont les plus étudiés en laboratoire lors d'expériences de fusion contrôlée.
La fusion contrôlée
Il existe différents systèmes permettant d'arriver à produire des réactions de fusion atomique : 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 (ex.: ITER) ;
- Les Stellarators où le confinement est entièrement assuré par les bobines (ex.: Wendelstein 7.x) ;
- Les machines à Piège à Miroires 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 (ex.: Laser Mégajoule) ;
- Les machines à Striction axiale (ou Z-pinch) où une pastille d'isotopes est comprimé par des impulsions de Rayons-X (ex.: Sandia National Laboratories).
Plasmas de fusion
A 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 a été arraché 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 actuel). 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.
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.
Problème de pollution
La réaction deutérium + tritium se traduit par une émission de neutrons rapides. Ces neutrons, sont difficiles à confiner éléctromagnétiquement 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). Cette pollution d'un type nouveau pourrait compliquer l'usage industriel de la fusion, et fait l'objet d'études avec différentes propositions de solutions (par exemple parois en graphite où le carbone 12 se transformerait en carbone 14, ou encore fer ultra-pur), mais aucune n'est encore considérée vraiment satisfaisante pour le moment. Les réactions générant des neutrons ne sont donc pas totalement « propres », mais sont toutefois nettement moins générateurs de déchêts.
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.
Voir aussi
Articles connexes
- Fusion par confinement magnétique
- Fusion par confinement inertiel
- ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)
- Fusion froide
- Physique des plasmas
Sites web externes
- Agence International pour l'Energie Atomique
- SCK.CEN Centre d'étude de l'Energie Nucléaire Mol, Belgique
- Fusion magnétique, dossier du CEA(très documenté)