La fusion nucléaire est une réaction nucléaire dans laquelle deux noyaux des atomes légeres, en géneral d'hydrogen et ses isotopes (le deutérium et le tritium), se combinent pour former un noyau plus lourd. En général, cette liaison est accompagnée par l'émission de quelques particules (dans le cas du noyaux de deutérium s'émis un neutron ). Cette réaction de fusion nucléaire libère ou absorbe beaucoup d'énergie sous forme de rayons gamma et de l'énergie cinétique des particules émises. Cette grande quantité d'énergie permet à la matèrie d'entrer dans un état de plasma.
Les réactions de fusion nucléaire peuvent émettre ou absorber de l'énergie. Si les noyaux qui vont se fusionner ont une masse inférieure au fer se libère de l'énergie. Inversement, si les noyaux atomiques qui vont se fusioner sont plus lourds que le fer la réaction nucleaire absorve de l'énergie.
Ne confondre pas la fusion nucléaire avec la fusion du nouyeau d'un réacteur, qui se réfère à la fusion du cœur du réacteur d'une centrale nucléaire en raison de la surchauffe causée par un mauvais refroidissement. Lors de l'accident nucléaire de Fukushima, ce terme a été utilisé fréquemment.
La fusion nucléaire dans la nature
Les forces de la gravité dans l'univers génèrent des conditions parfaites pour la fusion nucléaire.
Aux réactions de fusion nucléaire sont aussi appelés des réactions thermonucléaires en raison des températures élevées qu'ils éprouvent. Dans l'intérieur du Soleil, la température est de près de 15 millions de degrés Celsius.
Les exigences techniques pour la fusion nucléaire
Pour réaliser des réactions de fusion nucléaire, il faut répondre aux exigences suivantes :
- Obtener une température très élevée pour séparer l'électron du noyau et qu'il s'approche d'un autre battant des forces de répulsion électrostatiques. La masse gazeuse composée pour les électrons libres et les atomes fortement ionisé est appelé plasma.
- C'est nécessaire le confinement pour maintenir le plasma à une température élevée pendant un temps minimum.
- Avoire une densité du plasma suffisante parce que les noyaux soient proches les uns des autres et puissent générer des réactions de fusion nucléaire.
Le confinement pour la fusion nucléaire
Les confinements classiques qui sont utilisés dans les réacteurs de fission nucléaire ne sont pas possibles en raison des températures élevées du plasma qu'ils doivent supporter. Pour cette raison, on a développé deux méthodes importantes de confinement:
- La fusion nucléaire par confinement inertiel (ICF): consiste à créer une milieu tellement dense que les particules ne soient presque aucune chance d'échapper sans en toucher une autre. Une petite sphère composée de deutérium et de tritium est frappé par un rayon laser, ce qui provoque leur implosion. Ainsi, ce faut des centaines de fois plus dense et explosive sous l'effet de la réaction de fusion nucléaire.
- La fusion nucléaire pour confinement magnétique (MCF): Les particules de plasma chargées électriquement sont piégés dans un espace confiné par l'action d'un espace de champ magnétique. Le dispositif plus développée a une forme toroïdale et est appelé Tokamak.
Les réactions de fusion nucléaire
Les éléments atomiques qui s'utilisent normalement dans les réactions de fusion nucléaire sont des atomes d'hydrogène et de ses isotopes : le deutérium (D) et le tritium (T). Les principales réactions de fusion comprennent:
D + T -> 4He + n + 17.6 MeV
Avec la fusion d'un noyau de deutérium avec un noyau de tritium, on obtient un noyau d'hélium constitué de deux neutrons et deux protons, en train de libérer une neutron et 17,6 MeV d'énergie.
D + D -> 3He + n + 3,2 MeV
Avec la fusion de deux noyaux de deutérium, on obtient un noyau d'hélium constitué de deux protons et un neutron, libérant un neutron et 3,2 MeV d'énergie.
D + D -> T + p + 4,03 MeV
Avec la fusion de deux noyaux de deutérium, on obtient un noyau de tritium, un proton et 4.03 MeV d'énergie.
Pour ces réactions ont lieu il faut de l'énergie cinétique nécessaire aux noyaux pour approcher les noyeaux qui se vont fusioner. permettant ainsi de surmonter les forces de répulsion électrostatique. Pour ce faire, il faut chauffer le gaz à des températures très élevées, comme il est censé soit lieu dans le cœur des étoiles.
La condition d'un réacteur de fusion nucléaire est de confiner le plasma avec la température et densité suffisamment élevée et pendant le temps nécessaire, pour permettre aux occurrence des réactions de fusion nucléaire suffisantes, empêchant les particules de s'échapper, pour un gain net d'énergie. Ce gain d'énergie dépend de l'énergie nécessaire pour chauffer et confiner le plasma, que c'est inférieure à l'énergie libérée par les réactions de fusion nucléaire. En principe, chaque milligramme de deutérium-tritium peut être obtenu à 335 MJ.
Le combustible nucléaire utilisé pour les réactions de fusion nucléaire
Pour les réactions de fusion nucléaire ce sont nécessaires des noyaux légers. Essentiellement, le deutérium et le tritium, qui sont deux isotopes de l'hydrogène.
Le deutérium est un isotope stable de l'hydrogène consistant en un proton et neutron. Son abondance dans l'eau est d'un atome pour 6500 atomes d'hydrogène. Cela signifie que dans l'eau du mer, il y a une concentration de 34 grammes de deutérium dans chaque mètre cube d'eau. Le contenu énergétique de deutérium est si grande que l'énergie qu'on peut obtenir du deutérium d'un litre d'eau de mer est l'équivalent de l'énergie que vous pouvez obtenir de 250 litres d'huile.
Par conséquent, étant donné que les trois quarts de la planète sont recouverts d'eau, la fusion nucléaire est considérée comme une source d'énergie inépuisable.
L'autre élément utilisé dans la fusion nucléaire, le tritium, est l'isotope stable ou radioactif de l'atome d'hydrogène. Il est composé d'un proton et deux neutrons et se désintègre par émission bêta avec une relative vitese. Bien que le tritium est rare dans la nature, ont peut le généré par des réactions de capture de neutrons avec des isotopes de lithium. Le lithium est un matériau abondant dans la croûte de la Terre et en eau de mer.
L'évolution historique et les projets futurs sur la fusion nucléaire
Les origines de la fusion nucléaire sont situés autour de 1929, lorsque Atkinson et Houtemans évoquent la possibilité d'obtenir de l'énergie à partir de réactions de fusion. Cependant, les concepts plus importants de la fusion nucléaire et son application réelle sont développés depuis 1942 avec les travaux de H. Bethe, E. Fermi, E. R. Oppenheimer et Teller, entre autres. Grâce au projet Sherwood on menne les premières avancées technologiques qui ont contribué à développer le concept de confinement magnétique, ce qui donne les premières déssins: z-pinch, stellarator, et des miroirs magnétiques .
En 1961, J. Nuckolls (Etats-Unis) et N. Basov (URSS) ont développé une technique avec laquelle on pourrait obtenir des réactions de fusion nucléaire en utilesant les hautes compressiones provoquées par le transfert d'énergie. De cette façon les États-Unis et la Russie avaient developpé des programmes secrets. Plus tard, la France rejoint cette évolution, aussi en secret. D'autres pays comme l'Allemagne, le Japon, l'Italie et les Etats-Unis (Rochester) ont développé des programmes ouverts.
En 1965, Artsimovich a présenté les résultats de leurs recherches dans la "2ème Conférence sur la fusion contrôlée et le plasma» sur le concept TOKAMAK (TOroïdal KAmera MAgnetiK).
En 1968, le prix Nobel de N. Basov, signalé de l'obtentopm des températures d'inflammation et de la production de neutrons dans les réactions de fusion nucléaire par laser. Par la suite, on pourrait avoir beaucoup d'appareils en construction et l'exploitation dans le cadre du concept de Tokamak comme: ISF (France), T-4 et T-11 (URSS), et Alcator Ormak (Etats-Unis). Et autres comme la T-10 (URSS), PLT (USA), ETA (GB), ASEDX (RFA) et Frascati (EURATOM-Italie) ont commencé à être construit.
Dans les années 70, il a commencé à produire la première série de publications sur la FCI (fusion nucléaire par confinement inertiel). Aux États-Unis, les chercheurs principaux étaient Brueckner, Nuckolls, et Clark Kidder. En Russie, Basov et son équipe ont eu l'expérience la plus avancée, pour atteindre près de 3 millions de neutrons en l'implosion de domaines de CD2.
Basés sur ce concept il y a eu une multitude d'installations avec laser qui ont permis des recherches avancées sur la fusion nucléaire. D'elles on peuve souligner: NOVA (40 kJ, euuu), OMEGA (30 kJ), Gekko-XII (10 kJ, Japon), Phébus (3 kJ, France), VOLCANO (Royaume-Uni), ISKRA-5 (Russie).
De ces installations de laser on a développé deux projets majeurs pour montrer des bénéfices élevés: National Ignition Facility (NIF) aux États-Unis et Laser mégajoule (LMJ) en France.
Mais le laser n'est pas le seul dispositif capable de produire implosions, a également on observe que les électrons et les rayons de lumière et les ions lourds sont des candidats sérieux pour la fusion nucléaire par le confinement inertiel. Et les projets suivants sont nés avec des ions légers: Angara et PROTO (Russie), PBFA PBFC-I et-II (Etats-Unis).
En ce qui concerne les ions lourds, en l'absence d'expériences on a été incapable d'obtenir des résultats précis, même si on a fait certaines prédictions par des simulations théoriques tels que ceux dans le projet HIDIF (Heavy Ion conception de l'installation d'allumage), parrainé par plusieurs laboratoires et instituts européens et le Lawrence Berkeley Laboratory américain.
Dans les 90s, installations du type TOKAMAK: JET (EURATOM), TFTR (USA) et JT-60 (Japon) ont donné un certain pouvoir. Le premier était le JET, avec un mélange de Deutérium (90%) et Tritium (10%) atteint en 1991, d'une puissance de 1,7 MW. Par la suite, en 1993, avec un mélange de 50% TFTR DT est venu à 6 MW, atteignant des températures de 30 keV. Le chauffage de 29 MW a été dépensé. Actuellement, la TFTR est fermé. À ce jour, on a venu à produire jusqu'à 12 MW dans les réactions de fusion nucléaire contrôlée pour plus d'une seconde (JET 1997) et on est convaincu que avec les avancées technologiques actuelles il est possible atteindre à la gamme commerciale de centaines de MW de façon maintenue.
Le projet de fusion nucléaire par confinement magnétique : le projet ITER
Le projet plus avancé en fusion nucléaire par confinement magnétique est le ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), c'est une prototype sur la base du concept du Tokamak. Compte tenu des bons résultats obtenus dans le JET, en 1990 on a décidé de poursuivre le programme avec un centre de fusion plus grande dans lequel en outre du réacteur, on pourrait prouver leurs auxiliaires sans même produire de l' électricité. Dans ce projet y participent l'Union Européenne, le Canada, Etats-Unis, le Japon et la Russie.
L'objectif est de déterminer la faisabilité technique et économique de la fusion magnétique nucléaire pour produire de l' électricité. Il s'agit comme la condition préalable à la construction d'une phase de l'usine de démonstration commerciale.
Le ITER est un projet de technologie dont la construction est estimé à besoin de 10 ans et au moins 20 ans de plus d'investigation. Parmi les technologies utilisées pour sa construction et l'exploitation et la maintenance inclure la robotique, la supraconductivité, micro-ondes, des accélérateurs et des systèmes de contrôle.
Dans la machine ITER ne se produira pas de l'énergie eléctrique, on va prouver des solutions aux problèmes qui doivent être résolus pour rendre les futurs réacteurs de fusion viables. Ce projet de recherche aura ses premiers résultats à partir du 2050.
Les investissements pour la construction est estimé à environ 5.000 millions d'euros. Les coûts de fonctionnement atteindrent 5,300 millions d'euros et le déclassement s'élève à 430 millions d'euros. Le pays où il est installé (France) devrait supporter les coûts de préparation et de construction du chantier.