Fusion nucléaire 6465 31850742 2008-07-24T14:16:57Z Poppy 32857 /* Formations universitaires */ défranco centrage [[Image:Sun in X-Ray.png|thumb|Le soleil, siège de nombreuses réactions de fusion nucléaire]] La '''fusion nucléaire''' (dite parfois thermonucléaire) est, avec la [[fission nucléaire|fission]], l'un des deux principaux types de [[Physique nucléaire|réactions nucléaires]] appliquées. Il ne faut pas confondre la fusion nucléaire avec la [[fusion du cœur d'un réacteur nucléaire]] qui est un [[accident nucléaire]] particulièrement redoutable. La fusion nucléaire est un processus où deux [[noyau atomique|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 [[nucléon]]s due à l'[[interaction forte]] (voir [[Énergie de liaison atomique]]). Cette réaction est à l'œuvre dans le [[Soleil]] et dans la plupart des [[étoile]]s de notre [[univers]]. Un intérêt de la fusion nucléaire est de pouvoir produire théoriquement beaucoup plus d'énergie, à [[masse]] de « combustible » égale, que la fission. De plus, les [[océan]]s contiennent naturellement suffisamment de [[deutérium]] pour permettre d'alimenter en énergie la planète pendant quelques centaines de millénaires. Les produits de la fusion eux-mêmes (principalement de l'[[hélium]] 4) ne sont pas [[radioactif]]s, mais lorsque la réaction utilisée émet des [[neutron]]s rapides, ces derniers peuvent en revanche transformer les noyaux qui les capturent en [[isotope]]s pouvant l'être. En dépit des travaux de recherche réalisés dans le monde entier dans les [[années 1950]], aucune application industrielle de la fusion à la production d'énergie n'a encore abouti, en dehors du domaine [[militaire]] avec la [[bombe H]]. Il en existe cependant quelques autres usages moins médiatisés, comme les générateurs de neutrons utilisés notamment pour la détection des [[explosif]]s<ref>Voir par exemple {{en}} [[:en:Neutron generator|Neutron generator]]</ref>. == Mécanisme de la fusion == [[Image:D-t-fusion.png|thumbnail|Fusion nucléaire.]] Une réaction de fusion nucléaire nécessite que deux noyaux atomiques s'interpénètrent. Il faut pour cela que les noyaux surmontent la répulsion due à leurs charges électriques toutes deux positives (phénomène dit de ''barrière coulombienne''). Si l'on appliquait uniquement les lois de la mécanique classique, la probabilité d'obtenir la fusion des noyaux serait très faible, en raison de l'[[énergie cinétique]] (correspondant à l'agitation thermique) extrêmement élevée nécessaire au franchissement de la barrière. Cependant, la [[mécanique quantique]] prévoit, ce qui se vérifie en pratique, que la barrière coulombienne peut également être franchie par [[effet tunnel]], à des énergies plus faibles. Les énergies nécessaires à la fusion restent très élevées, correspondant à des [[température]]s de plusieurs dizaines ou même centaines de millions de degrés selon la nature des noyaux (voir plus bas : [[Fusion nucléaire#Plasmas de fusion|Plasmas de fusion]]). Au sein du [[soleil]] par exemple, la fusion de l'[[hydrogène]], qui aboutit, par étapes, à produire de l'[[hélium]] s'effectue à des températures de l'ordre de 15 millions de [[Kelvin]], mais suivant des schémas de réaction différents de ceux étudiés pour la production d'énergie de fusion sur Terre. Dans certaines étoiles plus massives, des températures plus élevées permettent la fusion de noyaux plus lourds. 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), l'énergie excédentaire se répartit entre le noyau et les particules émises, sous forme d'[[énergie cinétique]]. Pour que la fusion soit énergétiquement rentable, il est nécessaire que l'énergie produite soit supérieure à l'énergie consommée pour l'entretien des réactions et par pertes thermiques vers le milieu extérieur. Dans les réacteurs à fusion, il faut ainsi éviter tout contact entre le milieu de réaction et les matériaux de l'environnement, ce que l'on réalise par un confinement immatériel. Dans les cas où aucun état à peu près stable n'existe, il peut être impossible de provoquer la fusion de deux noyaux (exemple : <sup>4</sup>He + <sup>4</sup>He). 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 == 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]]. Aucun d'entre eux n'a encore abouti à des résultats industriels pour la [[production d'électricité|production]] d'[[énergie électrique]]. Une autre application de la fusion, la production de neutrons, notamment pour la détection des explosifs, est depuis longtemps parvenue au stade industriel.{{référence nécessaire}} ; Fusion par confinement magnétique ''Les configurations fermées'' Dans ces configurations, les lignes de champ magnétique confinent efficacement les particules. * les [[tokamak]]s, où l'on confine un mélange gazeux d'[[isotope]]s d'hydrogène grâce à un champ magnétique produit par des bobines et un courant induit circulant dans le [[plasma]] (exemples : [[Tore Supra]], [[International Thermonuclear Experimental Reactor|ITER]]) * les [[stellarator]]s, où le confinement est entièrement assuré par les bobines (exemple : [[Wendelstein 7-X]]) *les sphéromaks de forme sphérique ''Les configurations ouvertes'' * les machines à [[piège à miroirs magnétiques]], qui pourraient aussi être utilisées pour la [[propulsion spatiale]] ; Le chauffage dans la fusion par confinement magnétique Divers moyens sont à la disposition des physicien de la fusion pour chauffer le plasma de deutérium et de tritium. Un premier moyen est constitué par un système permettant d'engendrer un intense courant électrique au sein du plasma. Dans la mesure où des [[électrodes]] pollueraient le plasma, les chercheurs induisent ce courant grâce à un champ magnétique variable, soit croissant, soit décroissant. Ainsi, le courant induit possède des limites. Il est aussi possible de chauffer le plasma au moyen d'un faisceau d'[[atomes]] neutres. Ces derniers sont, dans un dispositif distinct, ionisés pour pouvoir être accélérés par un [[champ électrique]]. Par la suite et avant d'être injectés dans le plasma, ils sont neutralisés. Des atomes neutres sont nécessaire puisque des [[ions]] seraient déviées par le champ de confinement et ne seraient pas en mesure d'accéder au centre du plasma. Une fois au centre de ce dernier, les atomes neutres s'ionisent et, du fait de leur excédent d'énergie par rapport à l'[[énergie cinétique]] moyenne du tritium et du deutérium, cédent une partie de leur énergie cinétique au milieu de par des collisions. Ces atomes neutres ne sont autres que des atomes de tritium et de deutérium. Il assure donc aussi l'approvisionnement en [[combustible]]. ; Fusion par confinement inertiel Dans ce type de fusion, une puissante source de rayonnement - [[laser]] ou autre - chauffe une bille de combustible. Du fait de la [[dilatation]] rapide des bords de la cible, il se produit au centre de cette dernière une réaction dite fusée (principe des actions réciproques de la [[Lois du mouvement de Newton#Troisième loi de Newton ou principe des actions réciproques|troisième loi de Newton]]) qui comprime le mélange de combustible et déclenche alors une formidable réaction de fusion. Les réactions thermonucléaires étant de courte durée, d'innombrables réactions seront nécessaires pour fournir une énergie significative. * les machines à [[Confinement inertiel par laser]], où une microbille d'isotopes est irradiée par de puissants lasers, notamment térahertziens (exemple : [[laser Mégajoule]]) * les machines à [[striction axiale]] (ou [[Z-pinch]]), où une pastille d'isotopes est comprimée par des impulsions de rayons X (exemple : [[Z machine]] (plus de 2 milliards de degrés atteints !) des [[Laboratoires Sandia]]). Les conditions de fusion ont été obtenues en mars 2006 dans une {{en}} [http://www.sandia.gov/news/resources/releases/2006/physics-astron/hottest-z-output.html Z machine] à confinement axial. Les travaux ont commencé sur la conception d'un réacteur expérimental à impulsion utilisant ce principe. === Plasmas de fusion === À la température à laquelle la fusion est susceptible de se produire, la [[matière]] est à l'état de [[Physique des plasmas|plasma]]. Il s'agit d'un état particulier de la matière première dans lequel les atomes ou les molécules forment un [[gaz]] [[ion]]isé. Un ou plusieurs [[électron]]s du nuage électronique qui entoure chaque noyau ont été arrachés, laissant des [[ion]]s 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 physique|ignition]] se produit ensuite à un stade beaucoup plus élevé de production d'énergie (impossible à créer dans les réacteurs actuels). Il s'agit du seuil à partir duquel la réaction est capable de s'auto-entretenir. Pour la réaction deutérium + tritium, ce seuil est de 10{{exp|14}} s/cm³. === Analyse de la réaction deutérium + tritium === L'énergie de liaison des constituants provient de la [[interaction forte|force d'interaction nucléaire forte]], l'une des quatre [[Interaction élémentaire|forces d'interaction fondamentales]] de l'univers. Or l'investissement énergétique à fournir pour obtenir cette liaison est proportionnel au produit des charges électriques des deux noyaux en présence. C'est pourquoi le choix pour la fusion s'est porté sur le [[deutérium]] et le [[tritium]], deux isotopes lourds de l'hydrogène, pour lesquels ce produit vaut 1. L'énergie minimale à fournir pour obtenir une fusion est de 4 k[[Électron-volt|eV]] (équivalent à une température de 40 millions de [[kelvin]]) ; l'énergie libérée est alors de 17,6 MeV répartie pour 80% dans le neutron émis et pour 20% dans l'hélium 4 produit. Mais l'énergie nécessaire pour atteindre le [[critère de Lawson]] et un rendement suffisamment positif se situe vers 10 keV soit '''100 millions''' de degrés. La réaction « deutérium + tritium » se traduit par une émission de neutrons rapides. Ces neutrons sont impossibles à confiner électromagnétiquement car ils ont une charge électrique nulle. Ils sont donc susceptibles d'être capturés par les noyaux d'atomes de la paroi de l'enceinte, qu'ils transmutent parfois en [[isotope]]s [[radioactivité|radioactifs]] (phénomène d'activation). L'activation peut s'accompagner de production de noyaux d'hélium, susceptibles de fragiliser les matériaux de structure. Elle pourrait compliquer l'usage industriel de la fusion, et fait l'objet d'études avec différentes propositions de solutions (par exemple parois en [[composite]]s, ou encore alliages spécifiques de [[fer]]), mais elles nécessitent des études expérimentales difficiles à réaliser à court terme. Les réactions générant des neutrons ne sont donc pas totalement « propres », mais sont toutefois ''nettement moins'' génératrices de déchets que les réactions de [[fission nucléaire]], et la durée de vie de ces déchets est bien inférieure à celle des produits radioactifs créés dans les centrales à [[fission nucléaire]]. Si le deutérium est disponible naturellement en grandes quantités dans les océans, il nécessite la mise en place de méthodes très complexes pour en être extrait, le [[tritium]] doit être préparé artificiellement car il ne se trouve qu'en très petite quantité dans le milieu naturel de par sa nature d'[[isotope]] radioactif à courte durée de [[Demi-vie#En physique nucléaire|demi-vie]] (la moitié disparaît en 12,3 ans). === Applications === Si la fusion a pu être utilisée dans le domaine militaire avec les [[bombe H|bombes H]], il n'existe pas encore d'application civile de la fusion pour la production d'électricité. Seuls des prototypes d'étude ont pu être construits actuellement. == Notes et références == <references /> == Voir aussi == === Articles connexes === * [[Tokamak|Fusion par confinement magnétique]] * [[Fusion par confinement inertiel]] * [[International Thermonuclear Experimental Reactor|ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)]] * [[Fusion froide]] * [[Physique des plasmas]] === Liens externes === * {{fr}} [http://www.sckcen.be/sckcen_fr/ SCK.CEN Centre d'étude de l'Énergie Nucléaire] Mol, Belgique * {{fr}} [http://www.cea.fr/fr/sciences/Iter/index.htm La fusion contrôlée, dossier du CEA] * {{fr}} [http://www-fusion-magnetique.cea.fr Fusion magnétique, dossier du CEA] * {{fr}} [http://www.emma.inpl-nancy.fr/doc/CHATELIER_fusion.pdf Principes et perspectives de la fusion nucléaire] * {{en}} [http://focusfusion.org/log/index.php Fusion aneutronique hydrogène-bore] * {{en}} [http://www.sandia.gov/news/resources/releases/2006/physics-astron/hottest-z-output.html Sandia : Z-machine] * {{en}} [http://www.iaea.org Agence internationale pour l'énergie atomique] * {{fr}} [http://www.nucleaire-info.com/ nucléaire-info] {{Énergie de fusion}} {{Portail|Physique|Énergie|Astronomie}} [[Catégorie:Astrophysique]] [[Catégorie:Physique nucléaire]] [[Catégorie:Fusion nucléaire|*]] [[Catégorie:Génie énergétique]] [[Catégorie:Chimie nucléaire]] {{Lien AdQ|hr}} [[bg:Термоядрен синтез]] [[bs:Fuzija]] [[cs:Termonukleární reakce]] [[da:Fusion]] [[de:Kernfusion]] [[el:Πυρηνική σύντηξη]] [[en:Nuclear fusion]] [[eo:Fuzio]] [[es:Fusión nuclear]] [[fa:همجوشی هسته‌ای]] [[fi:Fuusioreaktio]] [[he:היתוך גרעיני]] [[hr:Fuzija]] [[hu:Magfúzió]] [[id:Fusi nuklir]] [[it:Fusione nucleare]] [[ja:原子核融合]] [[ko:핵융합]] [[lt:Branduolių sąlaja]] [[ml:അണുസംയോജനം]] [[nl:Kernfusie]] [[no:Kjernefysisk fusjon]] {{Lien BA|no}} [[pl:Reakcja termojądrowa]] [[pt:Fusão nuclear]] [[ru:Термоядерная реакция]] [[simple:Nuclear fusion]] [[sk:Jadrová syntéza]] [[sl:Jedrsko zlivanje]] [[sr:Nuklearna fuzija]] [[sv:Fusion]] [[tr:Füzyon]] [[uk:Ядерний синтез]] [[vi:Phản ứng tổng hợp hạt nhân]] [[zh-min-nan:Hu̍t-chú iông-ha̍p]] [[zh-yue:原子核融合]]