La fusion nucléaire est une réaction nucléaire dans laquelle deux noyaux d'atomes légers s'unissent pour former un autre noyau plus lourd. Les atomes utilisés sont des isotopes de l'hydrogène (deutérium et tritium). Lors de la fusion de deux atomes, la composition de la force nucléaire des noyaux est modifiée et une grande quantité d'énergie est libérée ou absorbée sous forme de rayons gamma ainsi que l'énergie cinétique des particules émises.
L'énergie émise est si grande qu'il est possible que la matière entre dans un état plasma.
Les réactions de fusion nucléaire peuvent émettre ou absorber de l'énergie. Si les noyaux qui vont 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.
À l'heure actuelle, il n'a pas encore été possible de construire un réacteur à fusion capable de produire de l'énergie électrique. Cependant, plusieurs projets sont actuellement en cours d'élaboration - comme le projet ITER dans le sud de la France - dans le but de produire une énergie propre grâce à l'énergie de fusion.
Exemples de fusion nucléaire : le Soleil
- Fusion au Soleil : La principale source d'énergie du Soleil est la fusion nucléaire. En son cœur, 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 connues sous le nom de bombes thermonucléaires, utilisent la fusion nucléaire pour générer des explosions extrêmement puissantes. Dans ces bombes, la fusion de noyaux d'hydrogène pour former de l'hélium et d'autres éléments lourds libère une énergie explosive.
- Réacteurs à fusion expérimentaux : des réacteurs à 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 du Soleil pour réaliser la fusion.
Exigences d'une réaction de fusion
Pour réaliser des réactions de fusion nucléaire, les conditions suivantes doivent être remplies :
Atteindre une température très élevée pour séparer les électrons du noyau et les faire se rapprocher d'un autre, en surmontant les forces de répulsion électrostatiques. 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 élevées du plasma qu'ils doivent supporter. Pour cette raison, deux méthodes de confinement importantes ont été développées :
Fusion nucléaire par confinement inertiel (ICF) : Elle consiste à créer un milieu si dense que les particules n'ont quasiment aucune chance de s'échapper sans entrer en collision les unes avec les autres.
Fusion nucléaire par confinement magnétique (MCF) : Les particules électriquement chargées du plasma sont piégées dans un espace réduit par l'action d'un champ magnétique. Le dispositif le plus développé a une forme toroïdale et s'appelle Tokamak.
Comment ça marche : 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, on obtient un noyau d'Hélium formé de deux neutrons et de deux protons, libérant 1 neutron et 17,6 MeV d'énergie.
D + D -> 3He + n + 3,2 MeV
En fusionnant deux noyaux de deutérium, on obtient un noyau d'hélium formé 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 qui vont fusionner, surmontant ainsi les forces de répulsion électrostatique. Pour ce faire, le gaz doit être chauffé à des températures très élevées, telles que celles supposées se produire au centre des étoiles.
El requisito de cualquier reactor de fusión nuclear es confinar dicho plasma con la temperatura y densidad lo bastante elevadas y durante el tiempo justo, a fin de permitir que ocurran suficientes reacciones de fusión nuclear, evitando que se escapen las partículas, para obtener una ganancia neta d'énergie.
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 pour chaque milligramme de deutérium-tritium.
Combustible nucléaire pour la fusion
Les noyaux légers sont nécessaires aux réactions de fusion nucléaire. Fondamentalement, on utilise 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 formé 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 contient une concentration de 34 grammes de deutérium par mètre cube d'eau.
La teneur énergétique du deutérium est si élevée que l'énergie pouvant être obtenue à partir du deutérium d'un litre d'eau de mer est équivalente à l'énergie pouvant être obtenue 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 renouvelable.
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 relativement rapidement par émission bêta.
Bien que le tritium soit rare dans la nature, il peut être généré par des réactions de capture de neutrons avec les isotopes du lithium. Le lithium est une matière abondante 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 par confinement magnétique est l'ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), un prototype basé sur le concept du réacteur Tokamak, et dans lequel l'allumage devrait être réalisé.
Compte tenu des bons résultats obtenus dans le cadre du Joint European Torus (JET) , il a été décidé en 1990 de poursuivre le programme de fusion avec une installation plus grande dans laquelle, 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 produire de l'électricité, en préalable à la construction d'une installation de démonstration commerciale.
La machine ITER ne produira pas d'énergie électrique et des solutions aux problèmes à résoudre pour rendre viables les futurs réacteurs à fusion nucléaire seront testées.
