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La Fusion nucléaire |
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II -La fusion source d'énergie . III -Le plasma thermonucléaire. VI - Les dispositifs de confinement. |
La fusion thermonucléaire (Sources EDF)
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.
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
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ÉNERGIE
DE LIAISON PAR NUCLÉON
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SCHÉMA DE PRINCIPE D'UN RÉACTEUR DE FUSION
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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.
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.
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).
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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. |
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Pour
éviter la dispersion du plasma par diffusion, il est nécessaire
de le confiner. Le
confinement
inertiel
consiste à faire
converger laser ou des faisceaux de particules (ions ou
électrons) très puissants sur un mélange deutérium ‑ tritium de forme
sphérique. Les couches
de surface de réaction, comprime la région celle-ci, la
température due à la compression suffisant pour permettre la fusion des noyaux de
deutérium et
de tritium.
confinement magnétique
d'un plasma de
faible densité,
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 configuration d'un tore où les lignes de force se referment sur
elles-mêmes, Le chauffage initial du plasma est obtenu par compression, par
injection d'atomes neutres
d'ondes haute
fréquence. du dégazage des parois, doivent être évitées en d'énergie qu'elles entraînent |
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
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Depuis trente
ans, des efforts importants ont été consacrés aux recherches
sur la mise en œuvre 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
œuvre le principe du
confinement magnétique du plasma semble le
plus prometteur. 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. 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
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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
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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). 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. 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 Frascati. 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. |
température :
30 millions de
degrés
durée de
confinement 15
s. |
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.
