Principes de la physique nucléaire/Fusion
Principe de la fusion modifier
La fusion nucléaire est un processus au cours duquel deux noyaux atomiques s'assemblent pour former un noyau plus lourd. La fusion de noyaux légers dégage d'énormes quantités d'énergie provenant de l'attraction entre les nucléons due à l’interaction forte.
Remarques :
- Les énergies nécessaires à la fusion restent néanmoins très élevées, correspondant à des températures de plusieurs dizaines ou même centaines de millions de degrés selon la nature des noyaux (voir plus bas : plasmas de fusion)
- Lorsque de petits noyaux fusionnent, le noyau résultant se retrouve dans un état instable et doit revenir à un état stable d'énergie plus faible, en éjectant une ou plusieurs particules (photon, neutron, proton, noyau d'hélium, selon le type de réaction)
- Les réactions de fusion qui dégagent le plus d'énergie sont celles qui impliquent les noyaux les plus légers. Ainsi les noyaux de deutérium (un proton et un neutron) et de tritium (un proton et deux neutrons) sont impliqués dans les réactions suivantes :
- Deutérium + Deutérium → Hélium 3 + neutron
- Deutérium + Deutérium → Tritium + proton
- Deutérium + Tritium → Hélium 4 + neutron
- Deutérium + Hélium 3 → Hélium 4 + proton
- Ce sont ces réactions qui sont les plus étudiées en laboratoire lors d'expériences de fusion contrôlée.
La fusion contrôlée modifier
Il existe différents procédés concevables permettant d'arriver à confiner le milieu de réaction pour produire des réactions de fusion nucléaire, notamment la fusion par confinement magnétique et la fusion par confinement inertiel.
La fusion par confinement magnétique :
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La fusion par confinement inertiel :
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Plasmas de fusion modifier
À la température à laquelle la fusion nucléaire est susceptible de se produire, la matière est à l'état de plasma. Il s'agit d'un état particulier de la matière première dans lequel les atomes ou molécules forment un gaz ionisé.
Un ou plusieurs électrons du nuage électronique qui entoure chaque noyau ont été arrachés, laissant des ions chargés positivement et des électrons libres, l’ensemble étant électriquement neutre.
- Dans un plasma thermique, la grande agitation des ions et des électrons produit de nombreuses collisions entre les particules. Pour que ces collisions soient suffisamment violentes et entraînent une fusion, trois grandeurs interviennent :
- la température T ;
- la densité N ;
- le temps de confinement τ.
Le critère de Lawson établit que le facteur Nτ doit atteindre un certain seuil pour obtenir le breakeven où l'énergie libérée par la fusion est égale à l'énergie dépensée. L'ignition se produit ensuite à un stade beaucoup plus élevé de production d'énergie (impossible à créer aujourd’hui dans les réacteurs actuels). Il s'agit du seuil à partir duquel la réaction est capable de s'auto-entretenir.
