La fusion nucléaire est, au contraire de la fission, une réaction mettant en jeu assemblage de noyau léger (hydrogène ou autre selon les cycles (liées à leur âge) pour les étoiles, deutérium/tritium pour les projets de fusion contrôlée et souvent du lithium ou les mêmes deutérium/tritium par l'homme.
Source d'énergie des étoiles, celle-ci apparaît comme quasi-infinie et « propre »: elle est le prochain rêve de l'homme, et son aboutissement donnera sans doute lieu à une révolution telle que l'invention de la machine à vapeur.
Nous allons donc étudier le projet dont il est le plus probable qu’il soit utilisé plus tard : la fusion par confinement magnétique dans des « tokamaks »
L’objectif est de procéder à une collision entre les deux noyaux, sous des conditions extrêmes de pression et de température, afin de déclencher le processus de fusion : il se créé alors un isotope extrêmement instable de l’hydrogène qui se transforme aussitôt en un noyau d’hélium tout en émettant un neutron ultra énergétique et de la chaleur (par désexcitation). La chaleur dégagée sert à entretenir la réaction et le neutron émis ne possède pas de charge électrique ce qui le rend insensible à la barrière que constitue le champ magnétique et sera ensuite recueilli sans doute par un circuit d’eau afin de la chauffer (cependant les projets actuels par exemple l’ITER ne vise pas encore à la production d’électricité, mais seulement au maintien d’un processus de fusion stable).
Fusion nucléaire - Source : Archipel des sciences
L'énergie de la fusion est donc issue d'une réaction nucléaire, tout comme celles de la fission: cependant, elle dispose de nombreux avantages:
-La réaction obtenue peut s' auto-générer à condition que le combustible soit fourni en quantité suffisante, c'est à dire que l'énergie thermique dégagée est suffisante pour recréer les conditions de la première réaction, c'est ainsi que les étoiles ont une durée de vie si longue.
-L'un des deux « ingrédients » nécessaire à la réaction, le deutérium est bien plus facile à obtenir que l'uranium ou ses variantes pouvant servir dans un réacteur: On le trouve aisément dans l'eau lourde (eau dont les atomes d'hydrogène H1 sont remplacés par des H2) que l'on peut obtenir par distillation , à partir de l'eau de mer! Cependant, on l'en obtient uniquement 33mg par litre d'eau, mais, cela serait suffisant pour fournir autant d'énergie que deux barils, soit 300 litres de pétrole.
-L'état particulier (le plasma) que la réaction nécessite est si instable qu'il est impossible qu'un emballement ait lieu (cf II, le nucléaire fait peur)
-La réaction de fusion présente aussi l'avantage de ne pas produire de déchets radioactif (ou une part vraiment infime de matériau rendu instable par la capture d'un neutron). La réaction ne génére en effet que des neutrons, qui seront capturés pour chauffer de l'eau et des noyaux d'hélium, qui ne causeront aucun préjudice.
Toutefois, ces projets rencontrent de nombreuses contraintes :
- Le plasma, état particulier de la matière dans lequel tous les atomes sont ionisés (il ne sont plus qu’a l’état de noyau séparé de leur cortège électronique) est très difficile à maintenir : il nécessite des températures très importantes de l'ordre de 150 millions de degré, non pas pour déclcencher la réaction mais pour qu'elle corresponde au critère de Lawson* (voir rentabilité).
- Si les neutrons émis servent à chauffer le fluide caloporteur ils peuvent aussi endommager les matériaux constituant la chambre dans laquelle à lieu la fusion et créer par exemple, des bulles d’hélium dans les parois et le plasma, extrêmement instable lorsqu’il est comprimé peut parfois jaillir du champ magnétique susceptible d’endommager les installations (il existe de nombreux autres types de perturbations, identique à celle qui agitent parfois la surface du soleil ; taches sombres, « éruptions solaires » ou autres )
- Il est aujourd’hui encore difficile de créer une réaction qui dure suffisamment longtemps pour qu’elle ne consomme moins d’énergie lors de son enclenchement qu’elle n’en dégage. Le meilleur rendement aujourd’hui obtenu n’est que de 3 et le projet d’ITER ne prévoyant que 4 quand les économistes estiment qu’un rendement de 40 est nécessaire afin que les industriels s’y intéresse. La plupart des sites actuels ne possèdent pas encore de circuit d’eau ni d’alternateur afin de tester la faisabilité de l’utilisation de cette énergie pour créer de l’électricité.
- Si le deutérium s’extrait aisément de l’eau de mer, le tritium est une ressource beaucoup plus rare : la quantité estimée sur la Terre en serait de 3kg. Il est donc nécessaire de le produire dans des réacteurs nucléaires spécifiques à partir du lithium. À terme, la production en sera assurée par les réacteurs à fusion eux-mêmes.
- De manière générale, le manque d’expérience dans la matière et la possibilité d’un fiasco total ou d’un temps de mise au point trop long font hésiter les sources de financement.
Il existe néamoins plusieurs projets exploitant la fusion nucléaire : ceux-ci sont classé en deux groupes, les projets de fusion par confinement magnétique ou par confinement inertiel. Les "Tokamaks", comme ITER, sont des Tores (anneau) dans lesquels le plasma est chauffé par confinement magnétique et à l'aide d'autres méthodes comme l'utilisation de Micro-ondes ou de l'Effet Joule. Les stellarators fonctionnent de manière similaire si l'on omet le fait qu'il ne chauffe pas le plasma avec d'autre moyen que le confinement magnétique et les sphéromaks sont de forme sphérique. La méthode par confinement inertiel diffère de la première dans le sens ou la réaction n'est plus entretenue artificiellement après son déclenchement. Le Laser mégajoule en est un exemple: la réaction est initiée par "écrasement" du mélange réactionnel par bombardement photonique à l'aide de 240 laser de très haute énergie. L'autre exemple est la "Z machine", qui utilise des courants d'intensité d'environ 20 000 000 d’amères afin de sublimer des filaments de tungstène dans une "colonne" et le confinement magnétique ce qui permet d'élever la température jusqu’à 2 milliards de degrés!
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