La fusion nucléaire est une réaction nucléaire dans laquelle deux noyaux d’atomes légers se rejoignent pour former un autre noyau plus lourd. Les atomes utilisés sont des isotopes de l'hydrogène (deutérium et tritium). Lors de la fusion, les forces de répulsion électrostatique entre les noyaux sont surmontées et de l'énergie est libérée à mesure qu'un noyau plus stable se forme, ce qui est lié aux fortes forces nucléaires qui les maintiennent ensemble.
L’énergie émise est si grande qu’il est possible pour la matière d’entrer dans un état de plasma.
Les réactions de fusion nucléaire peuvent émettre ou absorber de l’énergie. Si les noyaux à fusionner ont une masse inférieure à celle du fer, de l’énergie est libérée. Au contraire, si les noyaux atomiques qui fusionnent sont plus lourds que le fer, la réaction nucléaire absorbe de l’énergie. Ce principe découle de la courbe de liaison nucléaire. L'énergie est libérée si le produit de réaction est plus stable (énergie de liaison plus élevée par nucléon), et cela se produit dans les noyaux plus légers que le fer.
À ce jour, aucun réacteur à fusion capable de produire de l’énergie électrique nette de manière continue et rentable n’a encore été construit. Tous les projets actuels, comme ITER, sont expérimentaux. Cependant, plusieurs projets, comme le projet ITER dans le sud de la France, sont actuellement en cours dans le but de produire de l’énergie propre grâce à la fusion.
Exemples de fusion nucléaire : le Soleil
Des exemples de fusion nucléaire peuvent être trouvés dans diverses situations, à la fois dans la nature et dans des applications contrôlées par l’homme. Voici quelques exemples :
- Fusion dans le soleil : La principale source d’énergie du soleil est la fusion nucléaire. Dans son noyau, les noyaux d’hydrogène se combinent pour former de l’hélium, libérant une immense quantité d’énergie sous forme de lumière et de chaleur.
- Bombe à hydrogène : Les bombes à hydrogène, également appelées bombes thermonucléaires, utilisent la fusion nucléaire pour générer des explosions extrêmement puissantes. Dans ces bombes, la fusion des noyaux d’hydrogène pour former de l’hélium et d’autres éléments lourds libère une énergie explosive.
- Réacteurs de fusion expérimentaux : Des réacteurs de fusion expérimentaux, tels que le Tokamak et le Stellarator, ont été construits pour rechercher et développer la fusion nucléaire contrôlée comme source d'énergie. Ces dispositifs créent des conditions similaires à celles du noyau solaire pour réaliser la fusion.
Exigences d'une réaction de fusion
Pour réaliser des réactions de fusion nucléaire, les exigences suivantes doivent être respectées :
- Atteindre une température très élevée pour séparer les électrons du noyau et le rapprocher d'un autre noyau, surmontant les forces de répulsion électrostatique. La masse gazeuse composée d’électrons libres et d’atomes hautement ionisés est appelée plasma.
- Le confinement est nécessaire pour maintenir le plasma à une température élevée pendant un minimum de temps.
- La densité du plasma doit être suffisante pour que les noyaux soient proches les uns des autres et puissent générer des réactions de fusion nucléaire.
Confinement pour la fusion nucléaire
Les confinements conventionnels utilisés dans les réacteurs à fission nucléaire ne sont pas possibles en raison des températures de plasma élevées qu'ils doivent supporter. Pour cette raison, deux méthodes de confinement importantes ont été développées :
-
Fusion par confinement inertiel (ICF) : il s'agit de créer un milieu si dense que les particules n'ont pratiquement aucune chance de s'échapper sans entrer en collision les unes avec les autres.
-
Fusion par confinement magnétique (MCF) : des particules de plasma chargées électriquement sont piégées dans un espace confiné par l'action d'un champ magnétique. L'appareil le plus développé a une forme toroïdale et s'appelle Tokamak.
Opération : Réactions de fusion
Les éléments atomiques normalement utilisés dans les réactions de fusion nucléaire sont l'hydrogène et ses isotopes : le deutérium (D) et le tritium (T). Les réactions de fusion les plus importantes sont :
D + T -> 4He + n + 17,6 MeV
En fusionnant un noyau de deutérium avec un noyau de tritium, un noyau d'hélium-4 (avec 2 protons et 2 neutrons) est formé et un neutron libre est libéré avec 17,6 MeV d'énergie.
D + D -> 3He + n + 3,2 MeV
En fusionnant deux noyaux de deutérium, on obtient un noyau d'hélium composé d'un neutron et de deux protons, libérant un neutron et 3,2 MeV d'énergie.
D + D --> T + p + 4,03 MeV
En fusionnant deux noyaux de deutérium, on obtient un noyau de tritium, un proton et 4,03 MeV d'énergie.
Pour que ces réactions aient lieu, il faut fournir aux noyaux l’énergie cinétique nécessaire pour rapprocher les noyaux à fusionner, surmontant ainsi les forces de répulsion électrostatique. Cela nécessite de chauffer le gaz à des températures très élevées, telles que celles que l’on pense se produire au centre des étoiles.
L’exigence de tout réacteur de fusion nucléaire est de confiner un tel plasma à une température et une densité suffisamment élevées pendant la durée adéquate pour permettre à suffisamment de réactions de fusion nucléaire de se produire, tout en empêchant les particules de s’échapper, pour obtenir un gain d’énergie net.
Ce gain d’énergie dépend du fait que l’énergie nécessaire pour chauffer et confiner le plasma est inférieure à l’énergie libérée par les réactions de fusion nucléaire. En principe, 335 MJ peuvent être obtenus à partir de chaque milligramme de deutérium-tritium. Il convient toutefois de noter que l’efficacité réelle du système sera plus faible et que toute cette énergie ne pourra pas être récupérée de manière utile.
Combustible nucléaire pour la fusion
Les noyaux légers sont nécessaires aux réactions de fusion nucléaire. On utilise essentiellement du deutérium et du tritium, qui sont deux isotopes de l’hydrogène (l’élément le plus léger du tableau périodique).
1. Deutérium
Le deutérium est un isotope stable de l'hydrogène composé d'un proton et d'un neutron. Son abondance dans l’eau est d’un atome pour 6 500 atomes d’hydrogène. Cela signifie que l’eau de mer a une concentration de 34 grammes de deutérium par mètre cube d’eau.
La teneur énergétique du deutérium est si élevée que l’énergie que l’on peut obtenir à partir du deutérium contenu dans un litre d’eau de mer équivaut à l’énergie que l’on peut obtenir à partir de 250 litres de pétrole.
Compte tenu de l’abondance de deutérium dans les océans, cette source d’énergie peut être considérée comme pratiquement inépuisable et durable.
2. Tritium
L’autre élément utilisé dans la fusion nucléaire, le tritium, est l’isotope instable ou radioactif de l’atome d’hydrogène. Il est composé d'un proton et de deux neutrons et se désintègre par émission bêta relativement rapidement.
Bien que le tritium soit rare dans la nature, il peut être généré par des réactions de capture de neutrons avec des isotopes de lithium. Le lithium est un matériau abondant dans la croûte terrestre et dans l’eau de mer.
Projet de recherche sur la fusion nucléaire
Le projet le plus avancé en matière de fusion nucléaire utilisant le confinement magnétique est ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), un prototype basé sur le concept de réacteur Tokamak, qui devrait permettre l'allumage.
Compte tenu des résultats positifs obtenus avec le Joint European Torus (JET) , il a été décidé en 1990 de poursuivre le programme de fusion avec une installation plus grande où, en plus du réacteur, ses systèmes auxiliaires pourraient être testés sans encore produire d'électricité. L’Union européenne, le Canada, les États-Unis, le Japon et la Russie participent à ce projet.
L’objectif est de déterminer la faisabilité technique et économique de la fusion nucléaire par confinement magnétique pour la production d’électricité, comme phase préliminaire à la construction d’une installation de démonstration commerciale.
La machine ITER ne produira pas d’énergie électrique ; au lieu de cela, il testera des solutions aux problèmes qui doivent être résolus pour rendre les futurs réacteurs de fusion nucléaire viables.