Principes de la physique nucléaire/Fusion

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Principe de la fusion

Fusion nucléaire

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.

Début de l'exemple

Exemple de la fusion deutérium et du tritium

Fusion nucléaire (deutérium + tritium).

Fin de l'exemple

La fusion contrôlée

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 :

les tokamaks, où l’on confine un mélange gazeux d'isotopes d'hydrogène grâce à un champ magnétique produit par des bobines et un courant induit circulant dans le plasma
les stellarators, où le confinement est entièrement assuré par les bobines
les machines à Piège à miroirs magnétiques, qui pourraient aussi être utilisées pour la propulsion spatiale

La fusion par confinement inertiel :

les machines à Confinement Inertiel par Laser, où une microbille d'isotopes est irradiée par de puissants lasers
les machines à Striction axiale, où une pastille d'isotopes est comprimée par des impulsions de Rayons X

Plasmas de fusion

Définition d'un plasma

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 :

1. la température T ;
2. la densité N ;
3. 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.