Fusion nucléaire

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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.
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 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 (cf. énergie de liaison). Cette réaction est à l'œuvre dans le soleil et certaines étoiles de notre univers. Un intérêt de la fusion nucléaire est de pouvoir produire théoriquement beaucoup plus d'énergie, 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. 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. En dépit des travaux de recherche réalisés dans le monde entier 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. Il en existe cependant quelques autres usages moins médiatisés, comme les générateurs de neutrons utilisés notamment pour la détection des explosifsVoir par exemple l'article Neutron generator de la Wikipedia anglophone.

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 degrés Kelvin, 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 + 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. Une autre application de la fusion, la production de neutrons, notamment pour la détection des explosifs, est depuis longtemps parvenue au stade industriel. 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 (exemples : Tore Supra, 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 La fusion par confinement inertiel :
- les machines à Confinement Inertiel par Laser, 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 à confinement axial. Les travaux ont commencé sur la conception d'un réacteur expérimental à impulsion utilisant ce principe.

Plasmas de fusion

À 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 première dans lequel les atomes ou molécules forment un gaz 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 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 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 10 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 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 kelvin ) ; 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 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 peut s'accompagner de production de noyaux d'hélium, susceptibles de fragiliser les matériaux de structure. Elle pourrait compliquer l'usage industriel de la fusion, et fait l'objet 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, 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 dans le milieu naturel de par sa nature d'isotope radioactif à courte durée de demi-vie (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. Seuls des prototypes d'étude ont pu être construits actuellement.

Formations universitaires

Après la décision prise en 2006 d'implanter le projet ITER en France, plusieurs institutions françaises d'enseignement supérieur se sont jointes de façon à ouvrir une spécialité de master "sciences de la fusion". 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 et technique de grands équipements associés. La formation se fait au travers de trois parcours : deux portent essentiellement sur la physique 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 et Bordeaux : Universités d'Aix-Marseille et INSTN en région PACA, Université Bordeaux 1 en Aquitaine, Université Nancy I, INPL en Lorraine et Université Paris 6, Université Paris Sud 11, École polytechnique, INSTN pour l'Île de France. Cinq écoles d'ingénieur sont également associées: Supelec, Supoptique, l'École centrale Paris, l'ENSAM, l'École centrale de Marseille.

Notes et références

Voir aussi

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Sujets connexes
Accident nucléaire   Années 1950   Bombe H   Critère de Lawson   Demi-vie   Deutérium   Effet tunnel   Fer   Fission nucléaire   Fusion froide   Fusion nucléaire   Fusion par confinement inertiel   Fusion par confinement magnétique   Hélium   Interaction forte   Interaction élémentaire   International Thermonuclear Experimental Reactor   Ion   Isotope   Kelvin   Laboratoires Sandia   Laser Mégajoule   Matière   Mécanique quantique   Neutron   Noyau atomique   Photon   Physique des plasmas   Physique nucléaire   Piège à miroirs magnétiques   Proton   Radioactivité   Soleil   Stellarator   Tokamak   Tore Supra   Tritium   Univers   Universités d'Aix-Marseille   Wendelstein 7-X   Z-pinch   Z machine  
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