Fusion nucléaire - Définition

Introduction

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 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 de l’attraction entre les nucléons due à l’interaction forte (voir Énergie de liaison atomique).

Cette réaction est à l’œuvre de manière naturelle dans le Soleil et la plupart des étoiles de notre univers. En dépit des travaux de recherche réalisés dans le monde entier depuis les années 1950, aucune application industrielle de la fusion à la production d’énergie n’a encore abouti, en dehors du domaine militaire avec la bombe H, étant donné que cette application ne vise aucunement à contenir et maîtriser la réaction produite. Il en existe cependant quelques autres usages moins médiatisés, comme les générateurs de neutrons utilisés notamment pour la détection des explosifs.

Un intérêt de la fusion nucléaire est de pouvoir produire théoriquement beaucoup plus d’énergie (de 3 à 4 fois plus), 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 quelques centaines de millénaires.

Contrairement à la fission nucléaire, les produits de la fusion eux-mêmes (principalement de l’hélium 4) ne sont pas radioactifs, mais lorsque la réaction utilisée émet des neutrons rapides, ces derniers peuvent en revanche transformer les noyaux qui les capturent en isotopes pouvant l’être.

Mécanisme de la fusion

Fusion nucléaire.

Une réaction de fusion nucléaire nécessite que deux noyaux atomiques s’interpénètrent. Il faut pour cela 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 classique, la probabilité d’obtenir la fusion des noyaux serait très faible, en raison de l’énergie cinétique (correspondant à l’agitation thermique) extrêmement élevée nécessaire au franchissement de la barrière. Cependant, la mécanique quantique prévoit, ce qui se vérifie en pratique, que la barrière coulombienne peut également être franchie par effet tunnel, à des énergies plus faibles.

Les énergies nécessaires à la fusion restent 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, qui aboutit, par étapes, à produire de l’hélium s’effectue à des températures de l’ordre de 15 millions de kelvins, mais suivant des schémas de réaction différents de ceux étudiés pour la production d’énergie de fusion sur Terre. 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, proton, 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. 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 de l’environnement, 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 (un proton et deux neutrons) sont impliqués dans les réactions suivantes :

• deutérium + deutérium → (hélium 3 + 0,82 MeV) + (neutron + 2,45 MeV)
• deutérium + deutérium → (tritium + 1,01 MeV) + (proton + 3,03 MeV)
• deutérium + tritium → (hélium 4 + 3,52 MeV) + (neutron + 14,06 MeV)
• deutérium + hélium 3 → (hélium 4 + 3,67 MeV) + (proton + 14,67 MeV)

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