Pour obtenir une réaction de fusion nucléaire, les atomes impliqués doivent surmonter une barrière importante des forces électrostatiques. En raison des forces électrostatiques, deux noyaux sans électrons se repoussent. Cette répulsion est causée par des protons qui ont une charge positive. Cependant, si deux noyaux peuvent se rapprocher suffisamment, la répulsion électrostatique peut être surmontée par l'effet quantique dans lequel les noyaux peuvent passer par les forces coulombiennes.
Lorsqu'un nucléon tel qu'un proton ou un neutron est ajouté à un noyau, la force nucléaire l'attire vers tous les autres nucléons du noyau (si l'atome est suffisamment petit), mais principalement vers ses voisins immédiats en raison de la courte plage de force. Les nucléons à l'intérieur d'un noyau ont plus de nucléons voisins que ceux de la surface.
Les noyaux plus petits ont un rapport surface / volume plus important. De ce fait, l'énergie de liaison par nucléon due à la force nucléaire augmente généralement avec la taille du noyau, mais se rapproche d'une valeur limite correspondant à celle d'un noyau avec un diamètre d'environ quatre nucléons.
Force électrostatique
La force électrostatique, d'autre part, est une force carrée inverse, donc un proton ajouté à un noyau ressentira une répulsion électrostatique de tous les autres protons dans le noyau. L'énergie électrostatique par nucléon due à la force électrostatique augmente ainsi sans limite à mesure que le numéro atomique du noyau croît.
Le résultat net des forces nucléaires électrostatiques et fortes opposées est que l'énergie de liaison par nucléon augmente généralement avec l'augmentation de la taille, puis diminue pour les noyaux plus lourds. Enfin, l'énergie de liaison devient négative et les noyaux très lourds ne sont pas stables.
Une exception à cette tendance générale est le noyau d'hélium-4. L'énergie de liaison de l'hélium-4 est supérieure à celle du lithium, le deuxième élément le plus lourd. En effet, les protons et les neutrons sont des fermions. Les fermions, selon le principe d'exclusion de Pauli, ne peuvent pas exister dans le même noyau dans exactement le même état. L'état énergétique de chaque proton ou neutron dans un noyau peut accueillir à la fois une particule tournante et une particule tournante.
L'hélium-4 a une énergie de liaison anormalement grande car son noyau est composé de deux protons et de deux neutrons, de sorte que ses quatre nucléons peuvent être à l'état fondamental. Tout nucléon supplémentaire devrait entrer dans des états d'énergie supérieure. En fait, le noyau d'hélium-4 est si étroitement lié qu'il est généralement traité comme une particule mécanique quantique en physique nucléaire, à savoir la particule alpha.
La situation est similaire si deux cœurs sont joints. À mesure qu'ils se rapprochent, tous les protons d'un noyau repoussent tous les protons de l'autre. Ce n'est que lorsque les deux noyaux se sont suffisamment rapprochés que la force nucléaire puissante peut prendre le relais (via un tunnel) que la force électrostatique répulsive est dépassée. Par conséquent, même lorsque l'état énergétique final est inférieur, il existe une grande barrière énergétique qui doit d'abord être surmontée. Il s'agit de la barrière de Coulomb.
La barrière de Coulomb est la plus petite pour les isotopes de l'hydrogène, car leurs noyaux contiennent une seule charge positive. Un diproton n'est pas stable, donc les neutrons devraient également être impliqués, idéalement pour qu'un noyau d'hélium, avec sa jonction extrêmement étanche, soit l'un des produits.
La section efficace de la réaction (σ) est une mesure de la probabilité d'une réaction de fusion en fonction de la vitesse relative des deux noyaux réactifs. Si les réactifs ont une distribution de vitesse, par exemple une distribution thermique, alors il est utile de faire la moyenne des distributions transversales et de la vitesse du produit. Cette moyenne est appelée «réactivité», notée σv. La vitesse de réaction (fusions par volume et par temps) est σv fois le produit des densités de nombre de réactifs.
Carburant au deutérium et au tritium
Le deutérium est l'un des deux isotopes stables de l'hydrogène. Le noyau d'un atome de deutérium, appelé deutéron, contient un proton et un neutron, tandis que le protium beaucoup plus commun n'a pas de neutrons dans le noyau.
Le tritium est un isotope rare et radioactif de l'hydrogène. Le noyau de tritium contient un proton et deux neutrons, tandis que le noyau isotopique d'hydrogène-1 commun ne contient qu'un seul proton, et le noyau d'hydrogène-2 (deutérium) contient un proton et un neutron.
En utilisant du carburant deutérium-tritium, la barrière énergétique qui en résulte est d'environ 0,1 MeV. En comparaison, l'énergie nécessaire pour retirer un électron de l'hydrogène est de 13,6 eV, environ 7500 fois moins d'énergie. Le résultat (intermédiaire) de la fusion est un noyau instable de 5 He, qui expulse immédiatement un neutron à 14,1 MeV. L'énergie de recul du noyau 4 He restant est de 3,5 MeV, donc l'énergie totale libérée est de 17,6 MeV. C'est bien plus que ce qui était nécessaire pour surmonter la barrière énergétique.
La vitesse de réaction à l'état fondu augmente rapidement avec la température jusqu'à ce qu'elle soit maximisée, puis diminue progressivement. Le taux de DT culmine à une température plus basse (environ 70 keV, ou 800 millions de kelvins) et à une valeur plus élevée que d'autres réactions couramment considérées pour l'énergie de fusion.
