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...) du cœur d'un réacteur nucléaire (Un réacteur nucléaire est un dispositif dans lequel une réaction en chaîne peut être initiée, modérée et contrôlée (contrairement à une bombe atomique,...) 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 porter atteinte à la santé...) 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 ((pourcentage en masse)) et certaines étoiles de notre univers (On nomme univers l'ensemble de tout ce qui existe, comprenant la totalité des êtres et des choses (celle-ci comprenant ou non, selon les philosophies, les choses immatérielles) et les lois qui le régissent. Si l'on suppose qu'il y a...).

L'intérêt de la fusion nucléaire est qu'elle pourrait potentiellement produire beaucoup plus d'énergie, à masse (La masse est une propriété fondamentale de la matière qui se manifeste à la fois par l'inertie des corps et leur interaction gravitationnelle.) 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 la chaleur : la...) égale, que la fission. De plus, les océans 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 (Selon la dernière définition de l'Union astronomique internationale (UAI), « une planète est un corps céleste (a) qui est en orbite autour du Soleil, (b) qui possède une masse...) pendant des millénaires, et les produits de la réaction de fusion (principalement de l'hélium (Table complète - Table étendue) 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 également...) 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....), en dehors du domaine militaire avec la bombe H. 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.

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 transmission, pistons,...) classique, la probabilité (Probabilité vient du latin probare (prouver, ou tester). Le mot probable signifie « qui peut se produire » dans le cas de futures éventualités, ou « certainement...) 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 corps est égale au travail nécessaire pour faire...) (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 veut dire que l’agitation...) 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...) 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...), 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 du soleil par exemple, la fusion de l'hydrogène (Table complète - Table étendue), 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, foyer de l'humanité, est surnommée la planète bleue. C'est la troisième planète du système solaire en partant du Soleil.). 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 protons, sont les...), proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique de 1,602×10-19 coulombs. Il fut découvert en 1919 par Ernest Rutherford. Le noyau de l'isotope le plus...), 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 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 un isotope de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 2 neutrons.) (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...).

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 réunion de deux ou plusieurs substances.) gazeux d'isotopes d'hydrogène grâce à un champ magnétique (En physique, le champ magnétique est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction, définie en tout point de l'espace, et déterminée par la position et l'orientation d'aimants,...) 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 électromagnétique inducteur au travers d'un circuit...) 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...) (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 tore et supraconducteur, car Tore Supra est le seul parmi les grands tokamaks à...), 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 l'espace pour des changements d'orbite terrestre...)

La fusion par confinement inertiel :

• les machines à Confinement Inertiel par Laser (L'effet laser est un principe d'amplification cohérente de la lumière par émission stimulée. Laser est l'acronyme anglais de « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation » (en français,...), 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 d'un système est une fonction croissante du degré d'agitation thermique des particules, c'est-à-dire de son énergie thermique. Elle...) 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. Elle...) 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 une autre. Il est...) ou molécules forment un gaz (Au niveau microscopique, on décrit un gaz comme un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi indépendants (pour plus de détails, voir gaz réels).) 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 (En théorie des ensembles, un ensemble, désigne intuitivement une collection d’objets (que l'on appelle éléments de l'ensemble), « une...) étant électriquement neutre.

Dans un plasma thermique (Le 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 transferts de chaleur suivant différents phénomènes physiques, en particulier la...), 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 est un nombre sans dimension, égal au rapport d'une masse d'une substance homogène à la masse du même volume d'eau pure à la température de 3,98 °C.) N ;
3. le temps (Le temps est un concept développé pour représenter la variation du monde : l'Univers n'est jamais figé, les éléments qui le composent bougent, se transforment et évoluent pour l'observateur qu'est...) 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 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.

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 » équivalent au...) 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 être désigné par une...) 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...), et la durée de vie 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 groupe...) 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....) 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, physiologique ou radioactive. En particulier, la demi-vie est le temps nécessaire pour qu'un...) (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 également la branche de la physique...). 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 - dans un contexte professionnel - une aventure temporaire entreprise dans le but de créer un produit ou un service unique:) ITER en France, plusieurs institutions françaises d'enseignement supérieur se sont jointes de façon à ouvrir une spécialité de master "sciences de la fusion". ^[2] Cette formation vise à former les futurs 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 méthodes scientifiques.) 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 φυσικη) est étymologiquement la science de la nature. Son champ d'application actuel est néanmoins plus restreint : la physique décrit de façon à la fois quantitative et...) 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 français, sont cohabilités pour délivrer ce diplôme, 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 hectares sur la commune de...) 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). Peirce[1], un philosophe américain a défini 1891...) 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...) 6, Université Paris Sud (Sud est un nom :) 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 « insulaire » ; on dit...) 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 et à la mise en...) sont également associées: Supelec, Supoptique, l'École centrale Paris, l'ENSAM, l'École centrale de Marseille.

Notes et références