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Fusion Nucléaire

Le soleil tire son énergie de la fusion nucléaire

On s’est longtemps interrogé sur l’origine de l’énergie rayonnée par le soleil ; en 1938 Hans Bethe a montré qu’elle ne pouvait provenir que de réactions cycliques de fusions nucléaires entre des noyaux légers, comme ceux notamment d’hydrogène, d’hélium, de lithium et de carbone. Les énergies dégagées par ces réactions permettent d’atteindre des températures de plusieurs millions de degrés à l’intérieur du soleil ; l’auto – entretien de la fusion est assuré par la permanence de ces réactions, des températures élevées et permet ainsi de ne dépenser que peu de « combustible » nucléaire, donc peu de masse solaire ; c’est pourquoi notre soleil est assuré de « vivre » encore quelques milliards d’années.

Réaction de fusion deutérium-tritium
De toutes les réactions de fusion entre les noyaux légers, c’est la fusion du deutérium et du tritium, deux isotopes lourds de l’hydrogène, qui dégage le plus d’énergie qui est considérée comme la plus prometteuse car elle dégage beaucoup plus d’énergie. – 17,6 MeV – que les autres réactions de fusion.
© CEA/JET ©

Très rapidement les physiciens ont su réaliser des expériences de fusion nucléaire d’abord à l’échelle du laboratoire, puis en vraie grandeur : ce furent les premières explosions thermonucléaires de fusion nucléaire « non contrôlée » de Bikini en 1949 qui ouvrirent l’ère des recherches sur la fusion contrôlée sur terre. Pourquoi ? l’hydrogène, l’hélium, le carbone sont des éléments très abondants sur terre, et donc maîtriser la fusion nucléaire c’était maîtriser une source d’énergie dont le combustible est potentiellement inépuisable.

On appelle fusion nucléaire, la réaction qui fusionne temporairement deux noyaux légers, c’est-à-dire deux noyaux dont la somme des nombres de masse est très inférieure à 60 ; cette réaction entraîne la formation d’un noyau intermédiaire qui se désintègre à son tour très rapidement en 2 autres noyaux légers différents des noyaux initiaux et dégage de l’énergie, sous forme d’énergie cinétique des produits de la réaction. La figure ci-dessus représente la réaction de fusion du noyau de deutérium (isotope de l’hydrogène avec 1 neutron) avec celui de tritium (isotope de l’hydrogène avec 2 neutrons). Cette réaction est considérée comme la plus prometteuse tant du point de vue énergétique que du point de vue de l’approvisionnement en combustible.

Depuis plus de cinquante ans aujourd’hui, des recherches intensives sur la fusion contrôlée ont été engagées. De nombreux dispositifs expérimentaux internationaux ( JET en Angleterre, JT60 au Japon, TORE SUPRA en France, etc) ont permis d’approcher les conditions théoriques minimales de température, de densité et de temps de confinement nécessaires à la fusion. Des résultats très encourageants ont été obtenus. Mais parmi toutes les difficultés de l’entreprise, l’extraction de l’énergie et le maintien permanent d’une température très élevée de plusieurs millions de degrés dans une enceinte matérielle ne sont pas les moindres (la plupart des matériaux terrestres ne résistent pas à des températures supérieures à 3000° C) ; à ce jour ces difficultés ne sont toujours pas résolues, même si des solutions technologiques très avancées sont étudiées pour contourner et résoudre ces problèmes.

Performances des machines de fusion
Performances comparées des machines de fusion existantes et futures par rapport au critère d’ignition de Lawson (en ordonnée) et de la température en keV. Le projet ITER devrait s’approcher de l’ignition de la réaction de fusion.
© Euratom-Jet ©

Parmi ces solutions, une technique imaginée par des physiciens russes dans les années 60, fait aujourd’hui l’unanimité : il s’agit du tokomak, un anneau magnétique enfermant et chauffant fortement les particules (plasma) devant fusionner. Ces particules ionisées sont parfaitement confinées dans une sorte de « chambre magnétique circulaire » invisible et n’entrent pas au contact de l’enceinte expérimentale.