La fusion nucléaire est une réaction nucléaire dans laquelle deux noyaux d' atomes légers se rejoignent pour former un noyau plus lourd. L'élément le plus pratique du tableau périodique est l'hydrogène et ses isotopes, le deutérium et le tritium.
Les réactions de fusion nucléaire peuvent émettre ou absorber de l'énergie. Si les noyaux à fusionner ont moins de masse que le fer, de l'énergie est libérée. Inversement, si les noyaux atomiques en fusion sont plus lourds que le fer, la réaction nucléaire absorbe de l'énergie.
L'énergie émise est si grande que la matière peut devenir un état de plasma.
Il n'a pas encore été possible de construire de centrales à fusion capables de produire de l'énergie électrique à ce jour. Cependant, plusieurs projets sont actuellement en cours - comme le projet ITER dans le sud de la France - pour générer de l'énergie propre grâce à l'énergie de fusion.
Exemple de réaction de fusion nucléaire dans le Soleil
L'énergie libérée par le Soleil atteint la Terre sous forme de rayonnement électromagnétique.
À l'intérieur du Soleil, la température est proche de 15 millions de degrés Celsius.
Que faut-il pour obtenir une réaction de fusion nucléaire ?
Les exigences suivantes doivent être remplies pour effectuer une réaction en chaîne de fusion nucléaire :
Atteindre une température de plusieurs millions de degrés pour séparer les électrons du noyau et le rapprocher d'un autre, en surmontant les forces de répulsion électrostatique. La masse gazeuse composée d' électrons libres et d'atomes fortement ionisés est le plasma.
Le confinement est nécessaire pour maintenir le plasma chaud 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 classiques utilisés dans les réacteurs à fission nucléaire sont impossibles en raison des hautes températures de plasma qu'ils doivent supporter. Pour cette raison, deux méthodes de confinement importantes ont été développées :
Fusion nucléaire par confinement inertiel (FCI) : Elle crée un milieu si dense que les particules n'ont quasiment aucune chance de s'échapper sans se heurter.
Fusion nucléaire par confinement magnétique (FCM) : Les particules électriquement chargées du plasma chaud 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 fonctionne la fusion nucléaire ? Réactions de fusion nucléaire
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 un neutron et 17,6 MeV d'énergie. Lorsque la réaction donne naissance à un nouveau noyau atomique lourd qui se retrouve dans un état instable, il éjecte un neutron et un atome d'hélium avec une énorme quantité d'énergie afin de retrouver la stabilité.
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 une énergie de 4,03 MeV.
Pour que ces réactions se produisent, les noyaux doivent être alimentés avec l'énergie cinétique nécessaire pour amener les noyaux à fusionner, surmontant ainsi la répulsion électrostatique des forces nucléaires. Cela nécessite de chauffer le gaz à des températures très élevées, telles que celles supposées se produire au centre des étoiles.
Il est essentiel de contenir ledit plasma à une température et une densité suffisamment élevées et pendant une durée juste suffisante pour permettre à suffisamment de réactions de fusion nucléaire de se produire.
Quel est le combustible de la fusion nucléaire ?
Pour les réactions de fusion nucléaire, nous avons besoin de noyaux légers. En conséquence, le deutérium et le tritium sont utilisés, 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 qu'il y a une concentration de 34 grammes de deutérium dans l'eau de mer par mètre cube d'eau dans l'eau de mer.
Le contenu énergétique du deutérium est si élevé que l'énergie obtenue à partir du deutérium dans un litre d'eau de mer équivaut à l'énergie obtenue à partir de 250 litres de pétrole.
2. Le 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 des isotopes du lithium. Le lithium est un matériau abondant dans la croûte terrestre et l'eau de mer.
Réacteur à fusion nucléaire : le projet ITER en France
Le projet de fusion le plus avancé du confinement magnétique est ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Il s'agit d'un prototype basé sur le concept de réacteur nucléaire Tokamak, dans lequel l'allumage devrait être réalisé.
Le groupe de recherche sur la fusion ont obtenu d'excellents résultats au Joint European Torus (JET) du Culham Center for Fusion Energy au Royaume Uni. En 1990, ils ont décidé de poursuivre le programme de fusion avec une installation plus grande: le projet ITER. Outre le réacteur, ses systèmes auxiliaires pourraient être testés sans générer d'électricité. L'Union européenne, le Canada, les États-Unis, le Japon et la Russie y participent.
L'objectif est de déterminer les enjeux d'ingénierie et la faisabilité économique de l'énergie de fusion nucléaire par confinement magnétique pour la production d'énergie électrique.
L'énergie électrique ne sera pas produite dans la machine ITER et des solutions aux problèmes à résoudre pour rendre viables les futurs réacteurs à fusion nucléaire seront testées.
