Fusion nucléaire
La fusion nucléaire (dite parfois thermonucléaire) est, avec la fission, l'un des deux principaux types de 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 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 (cf. énergie de liaison).
Cette réaction est à l'œuvre dans le soleil et certaines étoiles de notreunivers.
L'intérêt de la fusion nucléaire est qu'elle pourrait potentiellement produire beaucoup plus d'énergie, à masse de combustible égale, que la fission. De plus, les océans contiennent naturellement suffisamment de deutérium pour permettre d'alimenter en
énergie la planète pendant des millénaires, et les produits de la réaction de
fusion(principalement de l'hélium 4) ne sont pas radioactifs.
En dépit des nombreux travaux de recherche réalisés dans le monde entier
depuis 50 ans, aucune application effective de la fusion à la production
d'énergie n'a encore vu le jour, en dehors du domaine militaire avec la
bombe H. Il en existe cependant d'autres usages moins médiatisés,
comme les générateurs de neutrons utilisés notamment pour la détection
des explosifs[1].
Mécanisme de la fusion
Fusion nucléaire.
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). 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 degrés
Celsius, 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 : 4He + 4He).
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
d'expériences de fusion contrôlée.
La fusion contrôlée
Il existe différents procédés concevables permettant d'arriver à confinerle 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'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.
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
Tore Supra, ITER)
les stellarators, où le confinement est entièrement assuré par les
les stellarators, où le confinement est entièrement assuré par les
bobines (exemple : Wendelstein 7-X)
- les machines à Piège à miroirs magnétiques, qui pourraient aussi
- les machines à Confinement Inertiel par Laser, où une microbille
- les machines à Striction axiale (ou Z-pinch), où une pastille
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) « z-machine » à confinement axial. Les travaux ont commencé
sur la conception d'un réacteur expérimental à impulsion utilisant ce principe.
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 :
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. Pour la réaction deutérium + tritium, ce seuil
est de 1014 s/cm³.
nucléaire forte, l'une des quatre 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 keV
(équivalent à une température de 40 millions de degrés) ; 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 et
ne peuvent être capturés à l'aide de champs électromagnétiques. Ils
sont donc susceptibles d'être capturés par les noyaux d'atomes
de la paroi de l'enceinte, qu'ils transmutent parfois en isotopes
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 composites, 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, mais 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 (la moitié disparaît en 12,3 ans).
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.
plusieurs institutions françaises d'enseignement supérieur se sont jointes
de façon à ouvrir une spécialité de master "sciences de la fusion". [2] Cette
formation vise à former les futurs scientifiques et ingénieurs, français ou
étrangers, qui souhaitent s'investir dans les programmes tant nationaux
que privés concernant les recherches sur l’énergie et la fusion, en particulier
dans l'exploitation scientifique et technique de grands équipements associés.
La formation se fait au travers de trois parcours : deux portent essentiellement
sur la physique de la fusion, soit par confinement magnétique, soit par
confinement inertiel ; un troisième parcours est à contenu plus technologique.
Dix établissements, répartis sur quatre sites du territoire français, sont
cohabilités pour délivrer ce diplôme, avec des enseignements qui ont
lieu en parallèle dans ces sites et lors de regroupement des étudiants à
Cadarache et Bordeaux : Universités d'Aix-Marseille en région PACA,
Université Bordeaux 1 en Aquitaine, Université Nancy I, INPL en Lorraine
et Université Paris 6, Université Paris Sud 11, École polytechnique (France),
INSTN pour l'Île de France. Cinq écoles d'ingénieur sont également associées:
Supelec, Supoptique, l'École centrale Paris, l'ENSAM, l'École centrale de Marseille.
Plasmas de fusion
À la température à laquelle la fusion est susceptible de se produire, lamatière 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.
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. Pour la réaction deutérium + tritium, ce seuil
est de 1014 s/cm³.
Analyse de la réaction Deutérium + Tritium
L'énergie de liaison des constituants provient de la force d'interactionnucléaire forte, l'une des quatre 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 keV
(équivalent à une température de 40 millions de degrés) ; 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 et
ne peuvent être capturés à l'aide de champs électromagnétiques. Ils
sont donc susceptibles d'être capturés par les noyaux d'atomes
de la paroi de l'enceinte, qu'ils transmutent parfois en isotopes
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 composites, 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, mais 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 (la moitié disparaît en 12,3 ans).
Applications de la fusion
Si la fusion a pu être utilisée dans le domaine militaire avec les bombes H, iln'existe pas encore d'application civile de la fusion pour la production
d'électricité. Seuls des prototypes d'étude ont pu être construits actuellement.
Formations universitaires
Après la décision prise en 2006 d'implanter le projet ITER en France,plusieurs institutions françaises d'enseignement supérieur se sont jointes
de façon à ouvrir une spécialité de master "sciences de la fusion". [2] Cette
formation vise à former les futurs scientifiques et ingénieurs, français ou
étrangers, qui souhaitent s'investir dans les programmes tant nationaux
que privés concernant les recherches sur l’énergie et la fusion, en particulier
dans l'exploitation scientifique et technique de grands équipements associés.
La formation se fait au travers de trois parcours : deux portent essentiellement
sur la physique de la fusion, soit par confinement magnétique, soit par
confinement inertiel ; un troisième parcours est à contenu plus technologique.
Dix établissements, répartis sur quatre sites du territoire français, sont
cohabilités pour délivrer ce diplôme, avec des enseignements qui ont
lieu en parallèle dans ces sites et lors de regroupement des étudiants à
Cadarache et Bordeaux : Universités d'Aix-Marseille en région PACA,
Université Bordeaux 1 en Aquitaine, Université Nancy I, INPL en Lorraine
et Université Paris 6, Université Paris Sud 11, École polytechnique (France),
INSTN pour l'Île de France. Cinq écoles d'ingénieur sont également associées:
Supelec, Supoptique, l'École centrale Paris, l'ENSAM, l'École centrale de Marseille.
Notes et références
- ↑ Voir par exemple l'article Neutron generator de la Wikipedia anglophone
- ↑ Site de la spécialité de master "sciences de la fusion"
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