Qu'est-ce que la fusion nucléaire ?
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La est un phénomène naturel des étoiles, à chaque instant au sein du soleil se dégage en effet une énergie considérable. Mais comment la reproduire sur la Terre de façon contrôlée ? La première difficulté est d’assurer des températures et des champs magnétiques extrêmes, conditions qui sont loin d’être celles de notre atmosphère.
© AFP - Image virtuelle de la chambre de confinement du futur réacteur ITER
La est l’assemblage de deux noyaux atomiques légers pour former un noyau plus lourd. Il se distingue donc de la , en œuvre dans les centrales nucléaires, où il s’agit de « casser » des noyaux très lourds.
Un phénomène solaire…
Chaque seconde, le soleil transforme 600 millions de tonnes d' en hélium, plus lourd1. L'énergie dégagée est alors considérable. Cela est rendu possible par la qui règne au cœur du soleil – des millions de degrés.
Lors de la fusion, l'hydrogène forme un plasma (état de la matière portée à très haute température). Dans celui-ci, les noyaux d'atomes perdent leurs électrons et les forces de répulsion entre eux sont très fortes. Mais il arrive que certains fusionnent, se transforment en hélium et libèrent de grandes quantités d'énergie. Dans le soleil, la probabilité de fusion entre deux noyaux d'hydrogène est extrêmement faible, mais elle est compensée par les immenses quantités de noyaux présents.
... difficile à reproduire sur Terre
Le phénomène de fusion nucléaire a été réalisé par l’Homme, mais de façon incontrôlée, dans les tristement célèbres bombes thermonucléaires ( ). Le problème est de contrôler le processus…
La première condition est d'obtenir une température extrêmement importante : jusqu'à 200 millions de degrés. Or aucun matériau ne résiste à une telle température. Les chercheurs travaillent donc principalement sur le « confinement magnétique ». Il revient à maîtriser, à très haute température, un plasma confiné dans une boîte immatérielle en forme d'anneau, créée par des champs magnétiques de très haute intensité.
D'autre part, pour augmenter la probabilité de fusion, on a recours à des isotopes (atomes ayant le même nombre de protons mais un nombre de neutrons différent) de l'hydrogène :
- le deutérium (2H) extrait de l'eau de mer ;
- le tritium (3H) n'existe pas sur Terre ni dans les basses couches de l'atmosphère. Il est produit en très petites quantités dans la fission des réacteurs nucléaires classiques. Il se génère également par irradiation de lithium, un élément qui, lui, se trouve abondamment sur Terre. Il est à noter que le tritium, contrairement au deutérium, possède une demi-vie (durée au cours de laquelle l'activité radioactive décroît de moitié) courte (12 ans).
Au cœur du système
La production d'énergie à partir de la fusion nucléaire peut-être décrite schématiquement par les cinq processus suivants :
- le plasma est placé dans une chambre à vide, c’est-à-dire une enceinte en inox parfaitement hermétique formant une première barrière de sûreté2. Il est ionisé (le nombre de ses atomes est modifié) et chauffé par une décharge électrique très intense ;
- l'ajout régulier de deutérium de haute énergie, l'émission d'ondes radio vers le plasma et la production de noyaux d'hélium très énergiques contribuent au maintien de la température extrême nécessaire aux réactions de fusion ;
- le champ magnétique intense (50 000 fois le champ magnétique terrestre), nécessaire au confinement du plasma, est assuré par les courants électriques circulant dans le plasma et à l'extérieur de la chambre à vide, dans des bobines ;
- les neutrons issus de la fusion fournissent l'énergie que l'on veut capter. Insensibles au champ magnétique (leur charge électrique est neutre), ils échappent à l'enceinte de confinement et vont percuter les parois du réacteur en le chauffant à blanc ;
- cette chaleur est récupérée à l'extérieur par un , qui la transmet à un . Comme dans les centrales nucléaires à fission, ce circuit va générer de la vapeur d'eau avec laquelle on produit de l' .
Les scientifiques du monde entier se sont engagés depuis plus de 50 ans dans ces recherches mais ont encore des décennies de travail devant eux.
Une femme à l'origine de la découverte
Quelques décennies après les travaux de la prix Nobel Marie Curie sur la , une autre femme a pris une part active à la découverte du phénomène de fusion nucléaire. La physicienne autrichienne Lise Meitner a participé, aux côtés des chimistes allemands Otto Hahn et Fritz Strassmann, aux études qui ont permis de la décrire en 1938.
Sources :
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