L'énergie nucléaire (fusion)

Qu'est-ce que la 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 notre univers.

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.

Comment fonctionne une réaction de fusion nucléaire?

La fusion nucléaire est une réaction où deux noyaux atomiques s'assemblent pour former un noyau plus lourd (par exemple un noyau de deutérium et un noyau de tritium s'unissent pour former un noyau d'hélium plus un neutron). La fusion des noyaux légers dégage une énorme quantité d'énergie provenant de l'interaction forte, bien plus importante que la répulsion électrostatique entre les constituants des noyaux légers. Ceci se traduit par un défaut de masse (cf. énergie de liaison; E=mc²); le noyau résultant ayant une masse moins élevée que la somme des masses des noyaux d'origine.

Cette réaction n'est cependant possible qu'à des températures très élevées (plusieurs dizaines de millions de degrés) où la matière est à l'état de plasma. Ces conditions sont réunies au sein des étoiles ou lors de l'explosion d'une bombe à fission nucléaire, qui amorce ainsi l'explosion thermonucléaire ( bombe H ).

Actuellement, aucun appareillage ne permet de produire de l'énergie en contrôlant les réactions de fusion nucléaire. Des recherches sont en cours afin d'obtenir un plasma sur une durée suffisante, afin que l'énergie de fusion produite soit supérieure à celle investie dans le chauffage des particules.Des recherches sont actuellement menées dans un cadre international afin de développer l'usage civil de l'énergie de fusion nucléaire pour la production électrique.

Illustration d'une réaction de fusion:

http://fr.wikipedia.org/wiki/Image:D-t-fusion.png

Mécanisme de la fusion

Une réaction de fusion nucléaire intervient lorsque deux noyaux atomiques s'interpénètrent. Cependant, pour qu'une telle interpénétration puisse se produire, il est nécessaire 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 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

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'énergie électrique.

Plasmas de fusion

À la température à laquelle la fusion est susceptible de se produire, la matière est à l'état de plasma. Il s'agit d'un état particulier de la matière premiere 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. Pour la réaction deutérium + tritium, ce seuil est de 1014 s/cm³.

Applications industrielles

Si la fusion a pu être utilisée dans les bombes H, il n'existe pas encore d'applications industrielles de la fusion pour la production d'électricité. Seuls des prototypes d'étude ont pu être construits actuellement.

Notes et références 1.↑ Une autre application de la fusion, la production de neutrons, notamment pour la détection des explosifs, est depuis longtemps parvenue au stade industriel.

Source: http://fr.wikipedia.org/wiki/Fusion_nucl%C3%A9aire

La Fusion nucléaire en Suisse

Depuis que la Suisse a participé à l’Euratom en 1978, elle est devenue très active dans le domaine de la fusion nucléaire. Elle met à disposition de grande contribution financière

Un projet à 10 mia d’euro est mis en route... grosse mise pour un projet si peu sûr.

La fusion nucléaire présente beaucoup d’avantage par rapport à la fission. Tout d’abord c’est une ressource inépuisable, ce qui n’est pas le cas de l’uranium qui ne durera qu’une vingtaine d’année. Nous trouvons du deutérium dans l’eau et du lithium en grande quantité et bon marché dans la croûte terrestre. De plus la fusion nucléaire n’est pas une réaction en chaîne, ce qui engendre la sécurité du réacteur, contrairement à la fission qui peut produire quelque chose qui explose. Pour finir la fusion est plus pratique dans son déplacement et son transport car cela ne représente pas beaucoup de matière. Elle représente donc l’énergie idéale.

D’autre part la fusion présente des inconvénients qui ne sont pas négligeables. Tout d’abord c’est une énergie difficile et compliquée à obtenir. De plus elle demande beaucoup d’argent. Il y a également le fait que cela produit beaucoup de déchets radioactifs : production de tritium, ce qui provoquer la radioactivité de la paroi de la machine. Mais ce problème possède une solution et c’est que l’on peut choisir les matériaux. Beaucoup d’argent sont investi dans la fusion nucléaire et cela déplait à certaines personnes, mais le besoin sérieux d’énergie ne nous laisse pas le choix. Même si la suisse n’est pas très au point avec les énergies renouvelables (solaires, éoliennes, etc...), elle est bien avancée quant à l’énergie de fusion nucléaire.

ITER va coûter une journée mondiale d’énergie (10 mia d’euros), mais c’est une entreprise mondiale, ce qui fait que au niveau mondial les coûts deviennent moindres.

Le pronostic pour l’énergie de fusin nucléaire serait de 10% des énergies utilisées.

Film : La fusion nucléaire: miracle ou mirage?

http://www.tsr.ch/tsr/index.html?siteSect=315201&sid=5913976&cKey=1120299080000