La fusion nucléaire est le processus par lequel les noyaux atomiques se combinent pour former un noyau plus lourd, libérant une énorme quantité d'énergie dans le processus. C'est le processus qui alimente les étoiles, y compris notre soleil.
Pour réaliser une fusion nucléaire contrôlée sur Terre, des conditions extrêmement spécifiques sont requises en raison des températures et des densités élevées nécessaires pour surmonter la répulsion électrostatique entre les noyaux.
Les principales exigences pour réaliser la fusion nucléaire contrôlée sont les suivantes :
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Température élevée : une température extrêmement élevée doit être atteinte, généralement de l'ordre de centaines de millions de degrés Celsius. A ces températures, les atomes s'ionisent, formant un plasma chaud.
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Densité et pression appropriées : le plasma doit être confiné et comprimé pour augmenter la probabilité que les noyaux entrent en collision et fusionnent.
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Long temps de confinement : La fusion nucléaire nécessite un temps suffisamment long pour qu'un nombre important de réactions de fusion se produise.
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Confinement magnétique ou inertiel : Il existe deux approches principales pour confiner le plasma : le confinement magnétique et le confinement inertiel. En confinement magnétique, le plasma est maintenu en suspension et confiné par des champs magnétiques. En confinement inertiel, le plasma est comprimé par des ondes de choc générées par des lasers ou des particules accélérées.
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Combustible de fusion approprié : Le combustible le plus courant pour la fusion nucléaire est un mélange d'isotopes d'hydrogène, tels que le deutérium et le tritium.
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Absence de contaminants : les matériaux qui entrent en contact avec le plasma doivent être minimisés car ils pourraient contaminer le processus de fusion et refroidir le plasma.
Stratégies de confinement du plasma
Il existe diverses stratégies de confinement utilisées dans les expériences de fusion nucléaire pour maintenir le plasma dans un état propice à la fusion. Voici quelques-unes des deux meilleures stratégies :
Confinement magnétique
Le tokamak et le stellarator sont deux types de dispositifs expérimentaux utilisés pour étudier et réaliser le confinement magnétique du plasma. Les deux dispositifs sont conçus pour confiner et chauffer le plasma aux températures élevées nécessaires à la fusion nucléaire.
Le tokamak utilise des bobines magnétiques pour générer un champ magnétique toroïdal qui confine le plasma dans un anneau. Le champ magnétique empêche le plasma de s'échapper et de se disperser, le maintenant dans un état chaud et confiné.
Le stellarator, contrairement au tokamak, utilise des bobines magnétiques plus complexes pour créer un champ magnétique tridimensionnel sans avoir besoin de courants électriques dans le plasma. Cela permet au plasma de rester stable sans avoir besoin de courants de chauffage.
Confinement inertiel
le confinement inertiel se concentre sur la compression et le chauffage du plasma de fusion à l'aide d'ondes de choc ou de compression mécanique.
Le principe de base du confinement inertiel consiste à soumettre le combustible de fusion (généralement un mélange d'isotopes d'hydrogène, tels que le deutérium et le tritium) à des pressions et des températures élevées afin que les noyaux atomiques entrent en collision avec suffisamment d'énergie cinétique pour surmonter la répulsion électrostatique et fusionner.
Il existe deux approches principales pour réaliser le confinement inertiel :
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Fusion par compression directe : Dans cette approche, une petite capsule de combustible de fusion est comprimée rapidement et de manière contrôlée à l'aide d'ondes de choc générées par des faisceaux laser de haute puissance ou des particules accélérées. La compression du combustible augmente la densité et la température du plasma au cœur de la capsule, favorisant la fusion nucléaire. Ce concept est connu sous le nom de "fusion par confinement inertiel par implosion".
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Fusion par confinement magnéto-inertiel : Cette stratégie combine les aspects de confinement magnétique et inertiel. Un dispositif combinant compression inertielle du plasma et confinement magnétique est utilisé pour prolonger la durée de vie du plasma et améliorer l'efficacité de la fusion. Un exemple en est le concept de "fusion magnéto-inertielle" (MIF), qui cherche à tirer parti du meilleur des deux approches pour réaliser la fusion nucléaire.
Réacteurs de recherche sur la fusion nucléaire
Les scientifiques travaillent avec des réacteurs de recherche pour trouver des moyens de surmonter les limites techniques de la fusion nucléaire.
Certains des réacteurs de recherche les plus importants dans le domaine de la fusion nucléaire sont les suivants :
ITER (réacteur thermonucléaire expérimental international)
C'est l'un des projets les plus importants et les plus ambitieux dans le domaine de la fusion nucléaire. Il est situé à Cadarache, en France, et est une collaboration internationale entre 35 pays. ITER est un tokamak qui vise à démontrer la faisabilité scientifique et technologique de la fusion nucléaire en tant que source d'énergie durable sans émission de carbone. ITER devrait atteindre le point "d'allumage", auquel l'énergie libérée par les réactions de fusion dépasse l'énergie nécessaire pour chauffer et confiner le plasma.
JET (Joint European Tore)
Situé au Royaume-Uni, JET est le plus grand tokamak en activité et a été un pionnier de la recherche sur la fusion nucléaire depuis sa création en 1983. Il s'agit d'une collaboration entre l'Union européenne et d'autres pays partenaires. JET a fait d'importantes recherches sur le confinement magnétique et le chauffage par plasma.
EAST (Tokamak supraconducteur avancé expérimental)
EAST est situé en Chine et est l'un des tokamaks les plus grands et les plus avancés au monde. Il a mené des recherches sur la supraconductivité et les technologies de chauffage au plasma.
Wendelstein 7-X
C'est un stellarator situé en Allemagne. Il se différencie des autres stellarators par sa conception optimisée du champ magnétique pour améliorer le confinement du plasma. Wendelstein 7-X est le stellarator le plus grand et le plus avancé en fonctionnement et a mené des recherches pour améliorer la stabilité du plasma et le confinement magnétique.
