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Fusion nucléaire
Le soleil, siège de nombreuses réactions de fusion nucléaire
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 appliquées. Il ne faut pas confondre la fusion nucléaire (La fusion nucléaire (dite parfois thermonucléaire) est, avec la fission, l’un des deux principaux types de réactions nucléaires appliquées. Il ne faut pas confondre la fusion nucléaire avec la fusion du...) avec la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de molécules toutes identiques, la...) du cœur d'un réacteur nucléaire (Un réacteur nucléaire est un dispositif dans lequel une réaction en chaîne est initiée, modérée et contrôlée par l'humain — ou par la nature, comme dans le...) qui est un accident nucléaire (Un accident nucléaire, ou accident radiologique, est un événement qui risque d’entraîner une émission de matières radioactives ou un niveau de radioactivité susceptible de...) particulièrement redoutable.

La fusion nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) 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 (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) provenant de l'attraction entre les nucléons due à l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) forte (cf. énergie de liaison).

Cette réaction est à l'œuvre dans le soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et composée...) et certaines étoiles de notre univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.).

L'intérêt de la fusion nucléaire est qu'elle pourrait potentiellement produire beaucoup plus d'énergie, à masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution...) de combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction chimique générant de...) égale, que la fission. De plus, les océans (Océans stylisé Ωcéans est un documentaire français réalisé par Jacques Perrin et Jacques Cluzaud dont le tournage a...) contiennent naturellement suffisamment de deutérium (Le deutérium (symbole 2H ou D) est un isotope naturel de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 1 neutron. Son nombre de masse est 2.) pour permettre d'alimenter en énergie la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la maintienne en équilibre hydrostatique,...) pendant des millénaires, et les produits de la réaction de fusion (principalement de l'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il ouvre la série des gaz nobles dans le tableau périodique des éléments. Son point d'ébullition est le plus bas parmi...) 4) ne sont pas radioactifs.

En dépit des nombreux travaux de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne...) réalisés dans le monde (Le mot monde peut désigner :) entier depuis 50 ans, aucune application effective de la fusion à la production d'énergie n'a encore vu le jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure locale) et...), en dehors du domaine militaire avec la bombe H (La bombe H (aussi appelée bombe à hydrogène, bombe à fusion ou bombe thermonucléaire) est une bombe nucléaire dont l'énergie principale...). Il en existe cependant d'autres usages moins médiatisés, comme les générateurs de neutrons utilisés notamment pour la détection des explosifs[1].

Mécanisme de la fusion

Fusion nucléaire.
Fusion nucléaire.

Une réaction de fusion nucléaire intervient lorsque deux noyaux atomiques s'interpénètrent. Cependant, pour qu'une telle interpénétration puisse se produire, il est nécessaire que les noyaux surmontent la répulsion due à leurs charges électriques toutes deux positives (phénomène dit de barrière coulombienne). Si l'on appliquait uniquement les lois de la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de...) classique, la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des...) d'obtenir la fusion des noyaux serait très faible, en raison de l'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement. L’énergie cinétique d’un...) (correspondant à l'agitation (L’agitation a comme principale fonction d’accélérer les transferts de grandeurs extensives au sein d'un fluide homogène ou d’une dispersion hétérogène au moyen d'un agitateur. Cela...) thermique) extrêmement élevée nécessaire au franchissement de la barrière. Cependant, la mécanique quantique (Fille de l'ancienne théorie des quanta, la mécanique quantique constitue le pilier d'un ensemble de théories physiques qu'on regroupe sous l'appellation générale de physique quantique. Cette dénomination s'oppose à...) prévoit, ce qui se vérifie en pratique, que la barrière coulombienne peut également être franchie par effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel, franchissement impossible selon la mécanique classique. Généralement, la fonction d'onde d'une particule, dont le carré du module représente...), à des énergies plus faibles.

Les énergies nécessaires à la fusion restent néanmoins très élevées, correspondant à des températures de plusieurs dizaines ou même centaines de millions de degrés selon la nature des noyaux (voir plus bas : Plasmas de fusion). Au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier...) du soleil par exemple, la fusion de l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.), qui aboutit, par étapes, à produire de l'hélium s'effectue à des températures de l'ordre de 15 millions de degrés Celsius, mais suivant des schémas de réaction différents de ceux étudiés pour la production d'énergie de fusion sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la...). Dans certaines étoiles plus massives, des températures plus élevées permettent la fusion de noyaux plus lourds.

Lorsque de petits noyaux fusionnent, le noyau résultant se retrouve dans un état instable et doit revenir à un état stable d'énergie plus faible, en éjectant une ou plusieurs particules (photon, neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les neutrons, avec les...), proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.), noyau d'hélium, selon le type de réaction), l'énergie excédentaire se répartit entre le noyau et les particules émises, sous forme d'énergie cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.). Pour que la fusion soit énergétiquement rentable, il est nécessaire que l'énergie produite soit supérieure à l'énergie consommée pour l'entretien des réactions et par pertes thermiques vers le milieu extérieur. Dans les réacteurs à fusion, il faut ainsi éviter tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) contact entre le milieu de réaction et les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement à prendre une...), ce que l'on réalise par un confinement immatériel.

Dans les cas où aucun état à peu près stable n'existe, il peut être impossible de provoquer la fusion de deux noyaux (exemple : 4He + 4He).

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 (Le tritium (T ou 3H) est - comme le deutérium - l'un des isotopes de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 2 neutrons. Il a été mis en évidence en 1934, par Ernest Rutherford, dans la...) (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.

La fusion contrôlée

Il existe différents procédés concevables permettant d'arriver à confiner le milieu de réaction pour produire des réactions de fusion nucléaire, notamment la fusion par confinement magnétique et la fusion par confinement inertiel. Aucun d'entre eux n'a encore abouti à des résultats industriels pour la production d'énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il effectue un travail : déplacer une charge, fournir de la lumière, calculer. Ce travail est proportionnel à la quantité d'électricité.).

Une autre application de la fusion, la production de neutrons, notamment pour la détection des explosifs, est depuis longtemps parvenue au stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe ?στημι istêmi, « se tenir droit et ferme ») est un équipement sportif.) industriel.[réf. nécessaire]

La fusion par confinement magnétique :

  • les tokamaks, où l'on confine un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi appelée...) gazeux d'isotopes d'hydrogène grâce à un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée...) produit par des bobines et un courant induit (Le courant induit, par ses effets s'oppose aux causes qui lui ont donné naissance (loi de Lenz). L'origine de ce courant induit résulte de la variation d'un flux...) circulant dans le plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait les grandes étoiles à neutrons avant qu'elles ne...) (exemples : Tore Supra (Tore Supra est le seul tokamak français en activité après l'arrêt du TFR (Tokamak de Fontenay-aux-Roses) et de Petula (à Grenoble). Son nom est dérivé de...), 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 (Cet article présente le concept de propulsion spatiale, c'est-à-dire tout système permettant de déplacer un véhicule spatial que ce soit du sol vers l'espace ou bien directement dans...)

La fusion par confinement inertiel :

  • les machines à Confinement Inertiel par Laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain...), 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 2 milliards de degrés atteints !) des Laboratoires Sandia). Les conditions de fusion ont été obtenues en mars 2006 dans une (en) " z-machine " à confinement axial. Les travaux ont commencé sur la conception d'un réacteur (Un réacteur peut désigner :) expérimental à impulsion utilisant ce principe.

Plasmas de fusion

À la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux...) à laquelle la fusion est susceptible de se produire, la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...) est à l'état de plasma. Il s'agit d'un état particulier de la matière première dans lequel les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec...) ou molécules forment un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz...) ionisé.

Un ou plusieurs électrons du nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la lumière qu’il reçoit, de la nature, de la...) électronique qui entoure chaque noyau ont été arrachés, laissant des ions chargés positivement et des électrons libres, l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être...) étant électriquement neutre.

Dans un plasma thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des...), 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 (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour les...) N ;
  3. le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de confinement τ.

Le critère de Lawson (Le critère de Lawson s'applique à la fusion nucléaire et permet de connaître la rentabilité de la réaction de fusion.) 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. 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.

Analyse de la réaction Deutérium + Tritium

L'énergie de liaison des constituants provient de la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale »...) d'interaction nucléaire forte, l'une des quatre forces d'interaction fondamentales de l'univers.

Or l'investissement énergétique à fournir pour obtenir 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 le neutron émis et pour 20% dans l'hélium 4 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.

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 (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de conservation.) nulle 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 (Activation peut faire référence à :) peut s'accompagner de production de noyaux d'hélium, susceptibles de fragiliser les matériaux de structure. Elle pourrait compliquer l'usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) industriel de la fusion, et fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut...) 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 de fission nucléaire (La fission nucléaire est le phénomène par lequel le noyau d'un atome lourd (noyau qui contient beaucoup de nucléons, tels les noyaux d'uranium et de plutonium) est divisé en plusieurs nucléides plus légers. Cette réaction nucléaire se traduit aussi...), et la durée de vie (La vie est le nom donné :) de ces déchets est bien inférieure à celle des produits radioactifs créés dans les centrales à fission nucléaire.

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 (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un...) dans le milieu naturel de par sa nature d'isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le noyau d'un atome est désigné par le...) radioactif à courte durée de demi-vie (La demi-vie est le temps mis par une substance (médicament, noyau radioactif, ou autres) pour perdre la moitié de son activité pharmacologique,...) (la moitié disparaît en 12,3 ans).

Applications de la fusion

Si la fusion a pu être utilisée dans le domaine militaire avec les bombes H, il n'existe pas encore d'application civile de la fusion pour la production d'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne...). Seuls des prototypes d'étude ont pu être construits actuellement.

Formations universitaires

Après la décision prise en 2006 d'implanter le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de...) ITER en France, plusieurs institutions françaises d'enseignement (L'enseignement (du latin "insignis", remarquable, marqué d'un signe, distingué) est une pratique d'éducation visant à développer les connaissances...) supérieur se sont jointes de façon à ouvrir une spécialité de master "sciences de la fusion". [2] Cette formation vise à former les futurs (Futurs est une collection de science-fiction des Éditions de l'Aurore.) scientifiques et ingénieurs, français ou étrangers, qui souhaitent s'investir dans les programmes tant nationaux que privés concernant les recherches sur l’énergie et la fusion, en particulier dans l'exploitation scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les...) et technique de grands équipements associés. La formation se fait au travers de trois parcours : deux portent essentiellement sur la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) de la fusion, soit par confinement magnétique, soit par confinement inertiel ; un troisième parcours est à contenu plus technologique.

Dix établissements, répartis sur quatre sites du territoire (La notion de territoire a pris une importance croissante en géographie et notamment en géographie humaine et politique, même si ce concept est utilisé par d'autres sciences humaines. Dans le dictionnaire de...) français, sont cohabilités pour délivrer ce diplôme (Le diplôme (grec ancien :δίπλωµα, diploma signifiant « plié en deux ») est un acte écrit émanant...), avec des enseignements qui ont lieu en parallèle dans ces sites et lors de regroupement des étudiants à Cadarache (Le centre de Cadarache est un centre de recherche nucléaire français situé dans les Bouches-du-Rhône, au confluent du Verdon et de la Durance sur un site de 1 625...) et Bordeaux : Universités d'Aix-Marseille en région PACA, Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment où...) Bordeaux 1 en Aquitaine, Université Nancy I, INPL en Lorraine et Université Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de la Marne et de la...) 6, Université Paris Sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.) 11, École polytechnique (France), INSTN pour l'Île (Une île est une étendue de terre entourée d'eau, que cette eau soit celle d'un cours d'eau, d'un lac ou d'une mer. Son étymologie latine, insula, a donné l'adjectif...) de France. Cinq écoles d'ingénieur (« Le métier de base de l'ingénieur consiste à résoudre des problèmes de nature technologique, concrets et souvent complexes, liés à la conception, à la réalisation...) sont également associées: Supelec, Supoptique, l'École centrale Paris, l'ENSAM, l'École centrale de Marseille.

Notes et références

  1. Voir par exemple l'article Neutron generator de la Wikipedia anglophone
  2. Site de la spécialité de master "sciences de la fusion"
Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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