1.Principe physique

La fusion thermonucléaire consiste à porter un gaz à très haute température. Pour comprendre comment se comporte la matière à ces températures anormalement élevées, nous allons tout d’abord essayer de comprendre de quoi est composé la matière.

La matière s’organise différemment selon la température de son milieu. Un gaz porté à très hautes températures sera sous forme de plasma. Les molécules présentes dans un gaz se cognent plus ou moins souvent selon la température, plus la chaleur d’un gaz est élevée, plus les molécules vont entrer en collision. Celles-ci vont se briser et vont donner des atomes non liés entre eux. La liaison entre le noyau et les électrons va ensuite se briser du fait des heurts entre atomes de plus en plus fréquents.

Les atomes perdant progressivement leurs électrons, vont donner naissance à des ions. On dit que le gaz s’ionise. Le gaz est alors composé d’ions et d’électrons libre. Comme ce gaz sera électriquement chargé, il sera sensible aux champs magnétiques.


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Plasma dans un réacteur à fusion nucléaire


Maintenant que le plasma est défini, nous allons nous intéresser plus précisément à la fusion. La fusion est une réaction nucléaire entre deux noyaux simples qui vont former un noyau plus gros.

Prenons pour exemple la réaction de fusion observable à l’intérieur des étoiles. Une étoile est essentiellement composé d’hydrogène noté 11H.

L’immense nuage d’hydrogène va se contracter du fait de la gravitation universelle. Les atomes d’hydrogène vont « tomber » vers le noyau en prenant de la vitesse. L’augmentation de la vitesse des atomes d’hydrogène va engendrer une augmentation du nombre de collisions entre les atomes d’hydrogène et donc une augmentation de la température du gaz hydrogène. A partir d’une température de  plusieurs milliers de degrés Celsius, le gaz va devenir un plasma.

La réaction de fusion nucléaire va alors commencer. Deux atomes d’hydrogène vont fusionner pour donner un atome de deutérium, isotope de l’hydrogène de symbole 12D ou 12H, un positron (ce phénomène n’est pas compris par les scientifiques à l’heure actuelle) et un neutrino qui permet la conservation de l’ énergie cinétique. Cette réaction dégage aussi de l’énergie. Le positron et le neutrino sont produits suite à la transformation d’un proton en neutron. La deuxième étape est la fusion d’un atome de deutérium et d’un atome d’hydrogène en hélium 3, de symbole 23He, en émettant des rayons  (les rayons  sont des rayonnements produits lors de la désexcitation des atomes). La dernière étape de la fusion nucléaire dans le soleil est la fusion de deux atomes d’hélium 3 pour donner un atome d’hélium 4, de symbole 24He, et deux protons.


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Schéma symbolisant les différentes étapes de la fusion nucléaire dans un soleil

 

Maintenant que nous avons expliqué le principe de la fusion nucléaire dans le soleil, nous allons revenir à la fusion nucléaire utilisée par l’Homme dans les réacteurs à fusion nucléaire. Cette dernière consiste à faire fusionner un atome de deutérium et un atome de tritium noté  13ou  13H pour former un noyau d’hélium et un neutron. Voici l’équation de la réaction nucléaire :

reaction-fusion.png

Les scientifiques ont choisi cette réaction car elle est très énergétique. Nous allons déterminer la quantité d’énergie émise par cette réaction :

- On calcule premièrement la différence de masse entre les produits et les réactifs :

deltam.png

Le système a donc perdu de la masse, c'est-à-dire de l’énergie d’après la théorie de la relativité restreinte d’Einstein.

- On peut maintenant déterminer la quantité d’énergie libérée avec l’équivalence d’Einstein suivante :

emc2.png

Application numérique :

nrj-fusion.png

Le système a perdu l’équivalent de 17,6 MeV. Cette énergie se retrouve dans l’énergie cinétique des produits, principalement dans le neutron. En effet l’énergie cinétique de ce neutron ultra-énergétique est équivalente à 14,1MeV. Ce neutron est le principal intérêt de la fusion thermonucléaire, en effet son énergie est récupérée sous forme de chaleur qui est par la suite transformée en électricité.

Cette réaction qui de prime abord semble simple est très difficile à réaliser sur terre. La température du plasma doit atteindre 150 millions de degrés Celsius pour que celui-ci s’auto-entretienne. De plus une fusion stable n’est possible que si le critère de Lawson est respecté. Ce critère présente les conditions qu’il faut réaliser pour faire s’entretenir la réaction de fusion.

 

La fusion s’entretient ainsi lorsque :

critere-de-lawson.png


performances-reacteurs.png

Schéma représentant les performances des différents réacteurs en fonction de la température du plasma

Cette valeur mesure la performance globale d’un réacteur à fusion. Cette condition est très dur à mettre en œuvre sur terre car la compression extrême de la matière nécessitée demande de développer des technologies aux limites des techniques humaines. C’est pourquoi Mikhaïl Gorbatchev, dirigeant de l’URSS entre 1985 et 1991, et Ronald Reagan, président des Etats-Unis entre 1981 et 1989, lancent le projet ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)  en 1985. Le but du projet ITER est de démontrer la faisabilité technologique et scientifique de l’énergie de la fusion, pour en ouvrir la voie à l’exploitation industrielle et commerciale.


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