La Fusion  

    

 

Recherche personnalisée
 

I -La fusion nucléaire.

II -La fusion source d'énergie .

III -Le plasma thermonucléaire.

IV -Le critère de Lawson .

V - Le confinement du plasma.

VI - Les dispositifs de confinement.

VII - Le programme européen de fusion contrôlée.

VIII - La recherche hors d'Europe.

La fusion thermonucléaire (Sources EDF)

 

La fusion nucléaire

 

Dans les noyaux des atomes, les protons portent des charges positives et devraient donc se repousser.

Or, ils restent soudés. Des forces nucléaires (interactions forte et faible) assurent la cohésion du noyau.

La masse d'un noyau est inférieure à la somme des masses de ses constituants pris isolément.

Cette différence, le défaut de masse, correspond d'après la formule d'Einstein E = m c2 à l'énergie de liaison qu'il faudrait fournir au noyau pour le dissocier en nucléons séparés.

Le diagramme "énergie de liaison par nucléon" donne l'énergie de liaison moyenne par nucléon, en fonction du nombre de masse de chacun des éléments considérés en abscisse.

La différence d'énergie de liaison entre les noyaux d'uranium et les noyaux situés au niveau maximum de la courbe correspond à l'énergie de fission, utilisée dans les centrales nucléaires.

La partie gauche de la courbe fait apparaître la possibilité de produire de l'énergie, par fusion nucléaire, lors de la formation, à partir de deux noyaux légers, d'un noyau plus lourd.

 

La fusion, source d'énergie

 

Plusieurs réactions de fusion sont envisageables.

La plus réalisable est la réaction deutérium – tritium (deux isotopes de l'hydrogène).

Elle consiste à précipiter l'un contre l'autre un noyau de deutérium (un proton et un neutron) et un noyau de tritium (un proton et deux neutrons).

Les deux noyaux fusionnent pour former un noyau d'hélium (deux protons, deux neutrons).

La réaction s'accompagne de l'expulsion d'un neutron et d'une libération d'énergie d'environ 17,6 MeV.

 

L'eau contient 40 mg de deutérium par litre.

Le tritium peut être obtenu en bombardant des noyaux de lithium avec des neutrons.

On pourra utiliser à cet effet les neutrons produits dans les réactions de fusion.

La quantité d'énergie qui sera ainsi produite par un gramme de mélange deutérium-tritium est équivalente à celle que dégage la combustion.de 10 000 litres de pétrole.  

Pour une même quantité d'énergie produite, la fusion engendre bien moins de produits radioactifs que la fission.

Le deutérium, le lithium et l'hélium ne sont pas radioactifs.

Le tritium l'est, mais les quantités mises en jeu sont limitées.

On prévoit de le produire à l'intérieur même du réacteur, et de l'utiliser en circuit fermé.

 

II n'y a pas de produits de fission.

En revanche, l'absorption des neutrons par les parois du réacteur activera celles-ci .

 

ÉNERGIE DE LIAISON PAR NUCLÉON

 

 

 

SCHÉMA DE PRINCIPE D'UN RÉACTEUR DE FUSION

 

 

Un réacteur de fusion pourrait être composé d'un "cœur" où se produirait la réaction nucléaire, entouré d'une enveloppe ou "couverture" destinée à la production du tritium et aussi à la récupération de l’énergie produite, sous forme d'énergie thermique.

Cet ensemble doit être enfermé dans une enceinte de protection pour confiner la radioactivité.

L'énergie thermique produite pourrait être transformée ensuite en électricité selon un processus classique.  

Le plasma thermonucléaire

 

Dans les réactions de fission, les neutrons qui ne portent pas de charge électrique interagissent avec les noyaux sans être repoussés par la charge positive de ceux‑ci.

Dans les réactions de fusion, les noyaux en interaction possèdent des charges électriques de même signe qui se repoussent.

Pour vaincre la répulsion électrostatique, les noyaux doivent avoir une vitesse suffisante pour que les collisions soient possibles.

 L'agitation thermique moyenne à 500 millions de degrés correspond à la vitesse nécessaire pour la fusion deutérium ‑ tritium.

Les atomes sont alors à l'état de plasma: ils se séparent de leur cortège électronique.

On obtient un nuage de particules chargées, positivement pour les noyaux et négativement pour les électrons, l'ensemble étant globalement neutre.

Si la température moyenne du plasma est de l'ordre de 100 millions de degrés, la réaction de fusion est possible car une proportion suffisante de noyaux atteint la vitesse minimale nécessaire.

 

Le critère de Lawson

 

Pour que le bilan énergétique de la réaction de fusion soit positif, le plasma doit avoir une température et une densité suffisantes (nombre de noyaux par cm3).

Les réactions de fusion doivent être assez nombreuses et libérer plus d'énergie qu'il n'en faut pour maintenir la température du plasma et compenser les pertes par rayonnement.  

Les conditions nécessaires à l'obtention de la réaction de fusion doivent être maintenues au minimum un certain temps, appelé temps de confinement, fonction de la température et de la densité du plasma.

Ainsi, pour une réaction deutérium‑tritium, et pour une température moyenne du plasma d'environ 100 millions de degrés, le produit de la densité du plasma par le temps de confinement doit être de: 1014 (secondes x nombre de noyaux par cm3).

 

 

Ces conditions constituent le critère de Lawson, du nom du physicien britannique qui les a le premier mises en évidence dès 1957.

Si le critère est satisfait, l'énergie cinétique des particules qui naissent lors de la réaction de fusion accroît l'agitation globale du plasma et augmente sa température. De nouvelles fusions se produisent et le processus est entretenu.  

Tokamak du centre de recherche de Fontenay – aux - Roses.

 

Le confinement du plasma

 

Pour éviter la dispersion du plasma par diffusion, il est nécessaire de le confiner. Deux méthodes sont à l'étude.

Le confinement inertiel consiste à faire converger des faisceaux laser ou des faisceaux de particules (ions ou électrons) très puissants sur un mélange deutérium ‑ tritium de forme sphérique. Les couches de surface de la sphère subissent un échauffement intense qui, par réaction, comprime la région centrale de la sphère.

A l'intérieur de celle-ci, la température due à la compression atteint un niveau suffisant pour permettre la fusion des noyaux de deutérium et de tritium.

La seconde méthode est celle du confinement magnétique d'un plasma de faible densité, de l'ordre de 1013 à 1016 noyaux par cm3.

Pour le réaliser, on utilise la propriété des particules chargées qui constituent le plasma de s'enrouler en hélice autour des lignes de force d'un champ magnétique : si l'on donne à celui-ci la configuration d'un tore où les lignes de force se referment sur elles-mêmes, les particules sont "piégées" et le plasma reste confiné.

Le chauffage initial du plasma est obtenu par compression, par injection d'atomes neutres de haute énergie ou par l'utilisation d'ondes haute fréquence.

Les impuretés provenant, par exemple, du dégazage des parois, doivent être évitées en raison des pertes d'énergie qu'elles entraînent.

 

Image du rayonnement X produit dans le cadre d’une expérience de fusion laser, réalisée sur un microballon de verre contenant un mélange deutérium – tritium.

 

Les dispositifs de confinement

Depuis trente ans, des efforts importants ont été consacrés aux recherches sur la mise en oeuvre de la fusion contrôlée. Jusqu'à présent, le critère de Lawson n'a pas été satisfait : les réactions obtenues ne dégagent pas encore suffisamment d'énergie pour s'entretenir elles-mêmes.

Parmi les dispositifs réalisés, le Tokamak qui met en oeuvre le principe du confinement magnétique du plasma semble le plus prometteur.

Une chambre métallique étanche en forme d'anneau (tore) renferme le deutérium et le tritium. Le plasma y est formé, confiné et chauffé. Un noyau de tôle magnétique traverse le tore. Il porte des bobines inductrices qui font circuler dans le plasma un courant qui le chauffe par effet Joule. 

D'autres bobines créent les champs magnétiques qui empêchent tout contact entre le plasma et les parois : des bobines de "champ toroïdal" guident le plasma autour de l'axe du tore, et des bobines de "champ poloïdal" assurent sa stabilité.

Tokamak

 

 

Le Stellarator  est un appareil de conception voisine de celle du Tokamak.

La principale différence réside dans la façon de faire circuler le plasma pour le stabiliser: dans le Tokamak, cette circulation est produite par la composante du champ magnétique due au courant induit dans le plasma ; dans le Stellarator, le champ magnétique est créé par des enroulements d'aimants extérieurs au plasma.

 

Le programme européen de fusion contrôlée

 

Les recherches en matière de fusion contrôlée par confinement magnétique sont menées par les pays de la CEE de façon coordonnée depuis la création de l'EURATOM en 1957. Elles s'effectuent à la fois dans le cadre de contrats d'association entre les différents organismes de recherche nationaux (le Commissariat à l'Énergie Atomique pour la France) et la Commission des Communautés européennes, et dans le cadre de l'entreprise commune JET (Joint European Torus).

Le JET est le plus grand Tokamak actuellement en service dans le monde. Il est installé à Culham, en Grande-Bretagne, et fonctionne depuis 1983. Son objectif est d'étudier le plasma dans des conditions voisines de celles d'un réacteur de fusion.

Le JET est financé à 80% par EURATOM, à 10% par l'Atomic Energy Authority (GB) et à 10% par les organismes nationaux associés.

Parallèlement au JET, le programme TORE SUPRA, réalisé dans le cadre de l'Association EURATOM‑CEA, permet d'améliorer les connaissances dans les domaines de la physique nucléaire et de la technologie des Tokamaks.

Mis en service en 1988 à Cadarache dans le midi de la France, TORE SUPRA est le seul grand Tokamak en fonctionnement disposant d'un aimant toroïdal supraconducteur.

D'autres centres de recherche existent en Europe: en RFA à Garching et à Jülich ; en Italie à Padoue et à Frescati.

Le successeur du JET, le NET (Next European Torus), en projet depuis 1983, devrait permettre de confirmer la faisabilité scientifique et technologique de la fusion.

A plus long terme, l'objectif du programme communautaire de fusion est la construction d'un réacteur de démonstration, DEMO, qui devra prouver son aptitude à produire de l'électricité dans des conditions satisfaisantes.

  TORE SUPRA de Cadarache ( 1988)

  Le JET de Cuhlam : 

température : 30 millions de degrés

durée de confinement 15 s.

 

 

La recherche hors d'Europe

 

Trois autres pays mènent d'actives recherches dans le domaine de la fusion : Les États-Unis, l'Union soviétique et le Japon.

Tous trois se sont associés avec la CEE et sous l'égide de l'Agence internationale de l'énergie atomique, pour définir un avant-projet international de réacteur thermonucléaire expérimental (ITER).

Le saviez- vous ?

Le plasma, quatrième état de la matière, est de loin le plus répandu dans l'univers.

Certains physiciens estiment qu'il constitue plus de 99% de la matière.

Le Tokamak est une abréviation de trois mots russes : Tok (courant), Kamera (chambre.) et Mak (magnétique).

Le Tokamak a été imaginé vers 1950 par les physiciens soviétiques Tarmon et Sakharov.