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Fusion nucléaire


En physique, la fusion nucléaire (on parle également de réaction thermo-nucléaire) est un processus où deux noyaux atomiques s'assemblent pour former un noyau plus gros. La fusion de noyaux « légers » dégage d'énorme quantité d'énergie provenant du défaut de masse (voir plus bas) et est à l'œuvre dans le Soleil et toutes les étoiles de notre univers.

Cette énergie est due à l'énergie de liaison au sein du noyau, qui est beaucoup plus importante que celle qui lie les électrons au noyau.

Sommaire

Noyaux légers et 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) Dans le cas de petits noyaux, la réaction de fusion produit plus d'énergie que celle utilisée pour les fusionner. La réaction est donc exothermique et forme une chaîne qui s'auto-entretient avec un gain positif d'énergie. Quand aucun état stable n'existe, il n'est pas toujours possible de provoquer la fusion de deux noyaux (exemple: 4He + 4He).


Utilisation du défaut de masse

Jusqu'au Fer 56, l'énergie de liaison par nucléon croît (en valeur absolue). La fusion de deux éléments légers (e.g. hydrogène, hélium) produira donc un dégagement d'énergie, tandis que chez les éléments lourds (e.g. uranium, plutonium) seule la fission nucléaire dégage de l'énergie (cette propriété est mise en œuvre dans les centrales nucléaires.


Réactions de 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).

Ils forment alors un noyau plus lourd, en même temps qu'ils émettent un proton ou un neutron. La masse des constituants à la fin de la réaction est plus faible : l'énergie excédentaire est transmise à la particule émise sous forme d'énergie cinétique.

Fusion nucléaire.
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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:

Dans le cas des expériences de fusion contrôlée, cette émission de nucléons pose un problème: les neutrons, en particulier, sont difficiles à confiner éléctromagnétiquement et sont donc susceptibles d'être capturés par des noyaux de l'enceinte et ainsi de générer des isotopes éventuellement instables, c'est-à-dire radioactifs. Les réactions générant des neutrons ne sont donc pas totalement « propres ».

Note : à la température à laquelle la fusion est susceptible de se produire, la matière est à l'état de plasma.

Plasmas de fusion

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 :

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

Le critère de Lawson établit que le facteur doit atteindre un certain seuil pour obtenir le breakeven où l'énergie libérée par la fusion est égale à l'énergie dépensée. C'est le 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 forte, l'une des quatre forces 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 on a choisi 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.

À titre de comparaison, le Soleil possède une température de 15 millions de degrés en son centre.

Problème de pollution

La réaction deutérium + tritium se traduit par une émission de neutrons rapides. Ces neutrons sont capturés par les noyaux d'atomes voisins qu'ils transforment en isotopes parfois radioactifs. 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), mais aucune n'est encore considérée vraiment satisfaisante pour le moment.

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