Matières radioactives et fission nucléaire

Fusion nucléaire

05/10/202320/11/2023 Philippe du Chélas

Le soleil produit de l’énergie et même beaucoup avec une réaction qui se nomme fusion nucléaire.

Cette réaction, si elle était ainsi reproduite sur terre, permettrait d’obtenir une énergie énorme et également propre.

Et ainsi presque sans limites.

Dans l’univers quand deux noyaux atomiques légers s’unissent pour en former un seul plus lourd, ils libèrent une énorme quantité d’énergie.

On qualifie aussi cette réaction de fusion nucléaire de fusion thermonucléaire.

La fusion constitue notamment avec la fission les deux principaux types de réactions nucléaires.

Simplicité de la nature

Les réactions de fusion se produisent dans une matière que l’on nomme plasma.

Quand un gaz se trouve à des températures extrêmes, les électrons se séparent ainsi des noyaux et le gaz se transforme en plasma.

En outre il s’agit du quatrième état de la matière.

Le plasma devient ainsi un gaz chaud avec des particules chargées ; noyaux positifs et électrons négatifs.

Par contre il devient un million de fois moins dense que l’air de notre atmosphère.

En fait c’est dans cette matière que des éléments légers peuvent fusionner et générer de l’énergie.

Pour comprendre l’échelle du phénomène, il est nécessaire de récréer sur terre les conditions gravitationnelles et de température existantes au cœur d’une étoile.

Bol de plasma

Il faut souligner que notre univers baigne à 99 % dans cet état de plasma.

Néanmoins cet environnement possède des propriétés distinctes de celles des gaz, des liquides et des solides.

Par contre la fusion requiert trois conditions (en laboratoire) :

une température très élevée
une densité de particules de plasma suffisante
un temps de confinement suffisant

D’une part la température nécessaire provoque des collisions énergétiques

Grâce à la densité de particules de plasma, la probabilité des collisions augmente.

Le temps de confinement permet de maintenir le plasma dans un volume défini sans qu’il se dilate.

Pour réussir ce tour de force, plusieurs équipes de scientifiques dans le monde travaillent notamment sur la supraconductivité.

Cette propriété physique devrait permettre de contenir et de confiner la réaction de la fusion.

Technologie de l’espace

Recréer ces conditions sur la Terre au moyen d’un réacteur de fusion pose de nombreuses difficultés techniques.

Tout d’abord en raison de l’absence des forces gravitationnelles extrêmes d’une étoile.

Ensuite il faut une température de plus de 100 millions de degrés Celsius pour confiner les particules dans le champ magnétique.

Il faut également maîtriser particules suffisamment longtemps pour que les réactions se produisent.

Et donc que l’énergie soit produite.

Sur terre, le meilleur combustible pour la fusion est un mélange d’ions deutérium et de tritium.

Ce sont d’ailleurs deux formes lourdes de l’hydrogène.

Énergies décarbonées

L’énergie provenant ainsi de la fusion est une énergie à très faible teneur en carbone.

Il existe d’ailleurs deux façons de procéder à une fusion nucléaire avec des températures et des pressions extrêmes :

fusion par confinement magnétique : cette technique se réalise à l’aide d’une chambre à vide qui se nomme tokamak (un acronyme russe). Cette chambre est soumise à des champs magnétiques provenant d’énormes aimants

fusion inertielle : on utilise une petite capsule de 2 millimètres de diamètre que l’on comprime et que l’on chauffe avec des faisceaux laser

A ce jour, on doit à une équipe du Joint European Torus (JET) d’Oxford l’exploit d’avoir produit 59 mégajoules d’énergie par fusion nucléaire.

Le National Ignition Facility (NIF) de Californie a réussi à produire 1,9 mégajoule avec 192 lasers dont 1,3 mégajoule sous forme d’énergie thermonucléaire.

De son côté, la chine réalisa un nouveau record en 2021 avec l’un de ses trois réacteurs à fusion.

En effet, ce réacteur réussit à atteindre une température de soixante-dix millions de degrés durant 17 minutes et 36 secondes.

L’avantage de la fusion nucléaire réside notamment dans la réaction qui ne peut pas s’emballer.

En effet une variation de température ou de pression interrompt le processus.

De plus les déchets produits restent moins longtemps radioactifs ; une centaine d’années.

L’énergie de fusion des atomes d’hydrogène d’un litre d’eau de mer représente celle de 250 litres de pétrole ou de 300 kilos de charbon.

Ainsi une centrale à fusion de 1000 Mwe aurait ainsi besoin de 125 kg de deutérium et de 3 tonnes de lithium.

Par contre pour une centrale à charbon de la même puissance, il faudrait 2,7 millions de tonnes de charbon par an.

Projets d’avenir

Plusieurs projets sont en cours. C’est le cas en France à Cadarache avec le réacteur thermonucléaire expérimental d’ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).

Techniquement, ce projet se base sur une cage magnétique (Tokamak).

C’est cette cage magnétique qui doit contenir la matière de la fusion (plasma) à 150 millions de degrés Celsius.

Un autre projet, nommé SPARC, est aussi en cours.

Il est développé par le MIT (Massachusetts Institute of Technology) en association avec la société Commonwealth Fusion Systems.

Le projet SPARC se fonde sur des aimants fabriqués sur la base de la technologie supraconductrice.

L’objectif de SPARC est notamment de réduire la taille du réacteur et ainsi de produire plus d’électricité qu’il n’en consomme.

CFS a réussi à créer un champ magnétique de 20 teslas, soit 400 000 fois celui de la Terre.

Et cela grâce à l’aide d’un nouvel aimant supraconducteur.

A la suite du projet ITER, des centrales de démonstration à fusion (DEMO) devraient aussi permettre de constater que la fusion nucléaire sur terre peut générer une puissance électrique nette.

Si on y parvient, la fusion devrait fournir une source d’énergie plus propre, plus sûre et quasi illimitée pour l’humanité.

Article : P. du Chélas