Qu'est-ce que la fusion nucléaire ?

Comment ça fonctionne

La Fusion Nucléaire est le processus consistant à unir deux noyaux atomiques légers en un seul noyau plus lourd, libérant une énorme quantité d'énergie. Ces réactions alimentent le Soleil, ainsi que toutes les autres étoiles de l'univers.

Conditions de réaction

Les réactions de Fusion Nucléaire se produisent dans un état spécifique appelé Plasma. Le noyau du Soleil, composé majoritairement d'atomes d'hydrogène, atteint des températures d'environ 15 millions de °C et une pression 340 milliards de fois supérieure à la pression atmosphérique terrestre au niveau de la mer. Ces conditions permettent la formation d'un Plasma : le quatrième état de la matière, un gaz chaud et ionisé, composé de particules positives et négatives (électrons), avec une densité environ un million de fois inférieure à celle de l'air.

Face à ces températures extrêmes, les particules d'hydrogène du noyau solaire s'agitent intensément et atteignent un degré élevé d'agitation et de vitesse, ce qui les fait entrer en collision les unes avec les autres. En raison de ces conditions extrêmes, ces particules reçoivent suffisamment d'énergie pour s'approcher, surmonter leur répulsion électrique (barrière de Coulomb) et finalement fusionner. Pour augmenter les taux de succès de ces collisions, le processus doit se dérouler dans un espace petit et confiné — ce que fournit la force gravitationnelle de l'étoile.

Pour illustrer ce processus, nous utiliserons la fusion entre Deutérium et Tritium, deux isotopes de l'Hydrogène.

De la réaction entre le Deutérium et le Tritium, un atome d'Hélium et un neutron sont libérés. Cela découle du fait que le Deutérium est composé de 1 neutron et le Tritium de 2 neutrons, ce qui donnerait un nouveau noyau de 2 protons et 3 neutrons. Cependant, ce rapport 2:3 est instable. Ainsi, le neutron « en trop » est libéré et un atome stable d'Hélium-4 est formé (2 protons et 2 neutrons).

D'où vient l'énergie ?

Comme le disait Lavoisier, « Dans la Nature, rien ne se crée, rien ne se perd, tout se transforme » — et il en va de même pour la fusion. Dans une réaction de fusion, le noyau plus lourd qui se forme a une masse légèrement inférieure à la somme des masses des deux noyaux originaux plus légers. Cette différence de masse est appelée défaut de masse.

Δm = défaut de masse ; Z = nombre de protons ; m_p = masse du proton ; N = nombre de neutrons ; m_n = masse du neutron ; M_nuc = masse du noyau atomique formé. La différence entre la somme des masses individuelles et la masse réelle du noyau correspond à l'énergie libérée dans la réaction.

Cette quantité de masse qui « disparaît » se convertit en énergie, selon la formule d'Einstein E = mc².

ΔE = variation d'énergie libérée ; Δm = défaut de masse ; c = vitesse de la lumière dans le vide (≈ 3 × 10⁸ m/s). Une faible perte de masse se convertit en une énorme quantité d'énergie en raison de la grande valeur de c².

Comme c est un nombre gigantesque (environ 3 × 10⁸ m/s), une petite quantité de masse se convertit en une quantité massive d'énergie. L'énergie générée s'appelle Énergie de Liaison — la quantité d'énergie libérée lors de la formation (ou de la rupture) d'un nouveau noyau à partir de ses particules subatomiques (protons et neutrons).

Défaut de masse dans la réaction D-T

Masses des réactifs : Deutérium (²₁H = 2,014 101 u) et Tritium (³₁H = 3,016 049 u), soit 5,030 150 u au total. Masses des produits : Hélium-4 (⁴₂He = 4,002 602 u) et neutron (¹₀n = 1,008 664 u), soit 5,011 266 u au total. Le défaut de masse Δm = 0,018 884 u est converti en 17,6 MeV d'énergie via E = mc².

D'une seule réaction entre un atome de Deutérium et un atome de Tritium, on obtient 17,6 MeV — pour comprendre ce que ce nombre signifie, voir la section « Mais quelle quantité d'énergie la Fusion produirait-elle vraiment ? » ci-dessous.

L'Énergie de Liaison libérée dans la réaction de Fusion Nucléaire se manifeste sous forme d'Énergie Cinétique. Dans le cas de la réaction D-T, les 17,6 MeV sont distribués comme suit : 3,5 MeV vont à la particule alpha (l'atome d'Hélium) et 14,1 MeV vont au neutron.

La réaction Deutérium-Tritium (D-T)

La réaction D-T n'a pas été choisie au hasard. Actuellement, la fusion entre Deutérium et Tritium est la plus largement étudiée par les chercheurs. Parmi toutes les réactions de fusion possibles, elle présente la plus grande section efficace — c'est-à-dire la plus grande probabilité de se produire — et également la plus grande valeur Q, représentant la quantité d'énergie libérée par réaction.

Contrairement au Soleil, dont la force gravitationnelle fournit naturellement les conditions nécessaires à la fusion, la Terre possède une constante gravitationnelle d'environ 9,8 m/s², environ 28 fois inférieure à celle de l'étoile (~274 m/s²). Pour compenser ce facteur, sur Terre, nous devons travailler avec des températures très élevées pour fournir les conditions de fusion.

Le combustible D-T atteint ses conditions de fusion à des températures bien inférieures à celles d'autres éléments, tout en libérant plus d'énergie que d'autres réactions de fusion. La réaction Deutérium-Tritium nécessite une température minimale d'environ 100 millions de °C, tandis que d'autres réactifs nécessitent des températures minimales de 300 millions de °C.

De plus, le Deutérium et le Tritium sont des isotopes de l'Hydrogène, l'élément le plus abondant de la planète. Le Deutérium est très commun et peut être trouvé dans l'eau de mer : 1 atome d'hydrogène sur 6 500 est du Deutérium. Le Tritium, en revanche, est un isotope radioactif rarement trouvé dans la nature, avec une demi-vie de seulement 12,32 ans. Cependant, le Tritium peut être produit par un processus appelé breeding, consistant à fusionner du Lithium avec un neutron. Une centrale de fusion pourrait donc devenir autosuffisante — ce qui est d'une importance extrême pour la viabilité économique du processus.

Mais quelle quantité d'énergie la Fusion produirait-elle vraiment ?

La Fusion Nucléaire est largement étudiée pour son grand potentiel à produire une source d'énergie propre et inépuisable. La demande énergétique mondiale croît continuellement. Actuellement, les principales sources de la matrice énergétique mondiale sont extrêmement polluantes, libérant du CO₂ dans l'atmosphère et causant des dommages potentiellement irréversibles à l'environnement — lire plus dans la section Environnement.

En plus d'être une source d'énergie renouvelable et non polluante, la Fusion Nucléaire présente un gain énergétique extraordinaire :

Maintenant, quelles sont les recherches impliquées dans la production de la Fusion sur Terre ?