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La fusion nucléaire signifie la combinaison de deux noyaux légers en un noyau plus lourd. Les réactions de fusion, ou thermonucléaires, d'éléments légers sont des réactions typiques qui ont lieu dans le Soleil et les autres étoiles. En effet, dans le Soleil, chaque seconde, 657 millions de tonnes d'hydrogène sont fusionnées en 653 000 000 tonnes d'hélium. Les 4 millions de tonnes de différence de masse sont ensuite converties en rayonnement - et c'est ainsi que le soleil brille. Les conditions de température et de pression extrêmes créent un état de la matière hautement ionisé appelé plasma, dont les composants sont maintenus ensemble par des forces gravitationnelles.

L'une des réactions de fusion qui libère une quantité relativement élevée d'énergie (27,7 MeV) est celle où quatre protons qui réagissent conduisent à la formation d'un noyau d'hélium (une particule alpha). Parce que des isotopes de l'hydrogène sont fusionnés dans ce processus, et qu'il y a de l'hydrogène tout autour de nous, l'idée d'obtenir de l'énergie à partir de la fusion de l'hydrogène est extrêmement attractive : il offre une source apparemment illimitée d'énergie pour les générations futures!

Les réactions de fusion, cependant, ne sont pas faciles à réaliser sur la terre. Il faut garder à l'esprit que les températures requises sont extrêmement élevées, généralement de l'ordre de centaines de millions de Kelvin. Et une fois que le plasma chaud est créé, comment le maintenir n'est pas trivial.

Voici une liste des réactions de fusion de noyaux légers qui pourraient être prises en considération pour des applications pratiques :

D + D T + H + 4.04 MeV
D + D 3He + n+ 3.27 MeV
D + T 4He + n + 17.58 MeV
D + 3He 4He + p + 18.7 MeV
T + T 4He + 2n + 11.3 MeV
H + 6Li 4He + 3He + 3.9 MeV
H + 11B 3(4He) + 8.68 MeV
D + 6Li 2(4He) + 22.3 MeV

Afin d'initier une réaction de fusion, on doit vaincre la répulsion coulombienne entre les noyaux. Par conséquent, ils doivent avoir des énergies cinétiques incidentes élevées(de quelques keV à plusieurs centaines de keV) (nous parlerons plus tard d'une autre possibilité de démarrer la fusion à basse température, par le biais de ce qu'on appelle la fusion de mésons catalysée). Il est facile d'accélérer des particules légères à ces énergies. Cependant, l'énergie nécessaire pour faire fonctionner les accélérateurs dépasse de loin l'énergie tirée de la fusion. Il est plus pratique d'utiliser une approche différente : l'énergie cinétique des corps réactionnels peut être le résultat de la température élevée d'un gaz des particules. Aux températures de dizaines ou de centaines de millions de Kelvin, les électrons sont arrachés des atomes, de sorte que les réactifs existent en tant que plasma chaud. C'est pourquoi on parle de "réactions thermonucléaires".

Le principal problème technique est de génèrer les conditions de très haute température et de pression dans le gaz ionisé : la création du plasma et son confinement pour un temps suffisamment long pour déclencher la fusion et donc la libération d'énergie. Une fois cet objectif atteint, et qu'il y a assez de réactions de fusion en cours, les conditions pourraient être auto-entretenues, ce qui signifie qu'une fourniture de combustible frais devrait créer une production continue d'énergie.

La condition nécessaire pour la libération de l'énergie à partir d'un réacteur thermonucléaire est donnée par le critère de Lawson, qui stipule que le produit de la densité des noyaux dans le plasma et le temps de confinement du plasma à la température d'allumage appropriée doit dépasser une certaine valeur de seuil . Pour la réaction de fusion D-T, par exemple :

neτE ≥ 1.5 × 1020 s/m3

La nécessité de températures élevées implique que le plasma ne peut pas être en contact avec le matériau des parois. Par conséquent, on doit développer des techniques spéciales pour le confinement du plasma.

Il existe trois méthodes de confinement du plasma : gravitationnelle, magnétique et inertielle. Dans les étoiles, le confinement est dû à leur champ gravitationnel qui crée une pression suffisamment élevée. Ce type de confinement, cependant, ne s'applique pas sur Terre. Au lieu de cela, de forts champs magnétiques peuvent être utilisés pour piéger le plasma par la méthode de confinement magnétique ou, dans ce qu'on appelle le confinement inertiel, des pastilles d'hydrogène sont compressées au moyen soit d'un laser puissant ou de faisceaux de particules.

Dans le cas du confinement magnétique, où la densité de particules est supérieure à environ 1020 /m3, le temps de confinement, tel que donné par le critère de Lawson, doit être plus long qu'1s. Dans le cas du confinement inertiel, par exemple, la densité du plasma typique est ≈ 10 31/m3, et le temps de confinement doit être de l'ordre de 10-11s.

La réaction la plus probable pour les applications pratiques est la fusion de deutérium et de tritium, D + T → 4He + n + 17,58 MeV, bien que des réactions de deutérium-deutérium soient également considérées. Le deutérium peut être facilement trouvé dans l'eau (30 grammes par mètre cube). Le tritium, cependant, doit être produit soit dans un réacteur nucléaire ou dans un réacteur de fusion à partir de lithium, un élément qui peut être trouvé en grandes quantités dans la croûte terrestre.

Ceci peut être réalisé en employant une épaisseur relativement importante (environ 1 m) de couverture de lithium, contenant également du béryllium, entourant le coeur du réacteur. Le lithium absorbera les neutrons qui sont ralentis dans la couverture et sera converti en tritium et hélium. L'énergie libérée chauffe la couverture, démarrant la production conventionnelle d'énergie. Le rôle du béryllium consiste à maintenir un nombre suffisant de neutrons dans le système.

Le mouvement des particules chargées dans le plasma peut être contrôlé par un champ magnétique externe. Dans les systèmes fermés de confinement magnétique, appelées réacteurs Tokamak, on chauffe et confine le plasma (D-T par exemple) à des densités atteignant 1021 particules par mètre cube. Les champs magnétiques sont conçus pour maintenir les particules loin des murs de l'enceinte. Sinon le plasma se 'refroidirai' immédiatement et les réactions de fusion cesseraient.

En plus de la température très élevée, la pression magnétique de confinement du plasma est également impressionnante. Pour une densité de particules atmosphériques (environ 1027 particules par mètre cube), et une énergie thermique de 10 keV, la pression magnétique doit dépasser 108 hPa. Les bobines de champ et leurs supports mécaniques ne peuvent pas résister à de telles pressions! Pour faire baisser la pression, il faut diminuer la densité des particules. Pour remplir le critère de Lawson, il faut alors maintenir le plasma chaud pour un temps plus long.

La configuration la plus efficace du champ magnétique s'est avéré être toroïdale. La chambre de réaction a la forme d'un doughnut et forme une "bouteille magnétique" fermée. En fait, pour assurer la stabilité du plasma, les lignes de champ magnétique suivent une trajectoire hélicoïdale. Ce confinement est assuré par des dispositifs appelés tokamaks, stellarators et strictions à champ inversé ( reverse field pinch - RFP).

Dans un tokamak, une série de bobines est placée autour de la chambre en forme de tore. Le noyau de transformateur passe par le centre de la Tokamak, tandis que le courant de plasma forme un circuit secondaire. Le champ perpendiculaire, dit poloïdale, est induit à la fois à l'intérieur, entraîné par le courant dans le plasma, et à l'extérieur, par des bobines de champ poloïdal qui sont positionnées autour du périmètre de la cuve.

Credits: EFDA
Ce courant chauffe également le plasma à la température requise d'environ 10 millions de K. L'idée du tokamak vient des physiciens russes Andrey Sakharov et Igor Tamm. Les principaux inconvénients des tokamaks sont la plage de paramètres de fonctionnement relativement étroite. Le plus grand tokamak construit jusqu'à présent est le Joint European Torus (JET).

Dans un stellarator, les conditions de plasma sont réglées par les courants circulant à l'extérieur du plasma. Les lignes de champ hélicoïdal dans les stellarators sont produites par une série de bobines qui sont elles-mêmes en hélice.

Credits: LHD
Le plus grand stellarator, le Large Helical Device (LHD), à gauche sur la photo, a démarré son exploitation en 1998 à l'Institut national de recherche sur la fusion du Japon. Comme aucun courant est induit dans le plasma dans les stellarators, le chauffage doit être réalisé par différents moyens, par exemple en fournissant un rayonnement électromagnétique au plasma. Une telle technique est prévue à Greifswald en Allemagne. Ces dispositifs sont similaires aux tokamaks par rapport aux champs toroïdal et poloïdal. Les courants sont cependant beaucoup plus forts, et aussi la direction du champ toroïdal au sein du plasma est inversée à la limite du plasma. Ce type de système est utilisé entre autres à Padoue, en Italie.

La technique de fusion par confinement inertiel (inertial confinement fusion - ICF) est basée sur une pastille de combustible DT qui est ensuite chauffée rapidement pour parvenir à la température et la pression nécessaires pour atteindre un état de plasma.

Credits: ITER
Ceci est obtenu en comprimant la pastille en la bombardant d'impulsions de lumière laser fortes, bien ciblées. Dans ces conditions, la surface de la pastille s'évapore et forme la couronne de plasma. Le plasma se dilate et génère un front de compression vers l'intérieur qui fait imploser la pastille provoquant une réaction de fusion instantanée.

Le système de fusion le plus avancé basé sur le confinement inertiel est le NOVA du Lawrence Livermore Laboratory, USA. Les chercheurs de NOVA ont démontré que, sous compression, on peut obtenir des densités de 600 fois celle du mélange liquide D-T et 20 fois plus grande que la densité du plomb.

La Communauté européenne a démarré le Joint European Torus - programme JET en 1978. L'objetif principal de JET était de faire des tests sur la fusion, la physique des plasmas et sur les conditions de stabilité. Culham en Grande-Bretagne a été choisi comme site de JET.

Image Credits:ITER
Le dispositif, en fait le plus grand tokamak produit jusqu'ici, était prêt à fonctionner en 1983 et la première puissance de fusion contrôlée a été produite en Novembre 1991. La puissance record de 16 MW a été atteinte pendant une seconde en 1997 sur le carburant mixte de deutérium-tritium. L'expérience a montré que la fusion JET contrôlée est possible.

Son successeur est ITER, un projet de recherche et d'ingénierie international, qui est en train de construire le plus grand tokamak réacteur expérimental de fusion nucléaire du monde à Cadarache, en France. Le projet ITER vise à faire la transition tant attendue des études expérimentales de la physique des plasmas de fusion vers des centrales de production d'électricité à grande échelle.

Le National Ignition Facility (NIF), situé en Californie, États-Unis, est la plus grande et la plus énergique installation laser du monde, et l'un de ses objectifs est la réalisation de la fusion nucléaire et le gain d'énergie pour la première fois en laboratoire - en substance, en créant une étoile miniature sur Terre.

NIF utilise des lasers puissants pour chauffer et comprimer une petite quantité de carburant d'hydrogène au point où les réactions de fusion nucléaire ont lieu. NIF est le plus grand et le plus énergétique dispositif de ICF construit à ce jour, et le premier qui est prévu pour atteindre l'objectif recherché depuis longtemps de «l'allumage», produisant plus d'énergie que ce qui a été mis en pour démarrer la réaction. Sa mission est de réaliser la fusion nucléaire avec un gain de haute énergie dans le laboratoire, et de soutenir la maintenance et la conception de l'arme nucléaire en étudiant le comportement de la matière dans les conditions régnant dans les armes nucléaires.

Les températures et les pressions extrêmes créées à l'intérieur de la chambre cible NIF permettent aux scientifiques de mener des expériences sans précédent dans la science de haute densité énergétique et d'acquérir de nouvelles connaissances sur ces phénomènes astrophysiques comme les supernovae, les planètes géantes, et les trous noirs.

La fusion est en quelque sorte la réaction inverse de la réaction de fission nucléaire. Dans cette dernière, les noyaux avec des masses plus petites sont créés à partir d'un noyau lourd, et la somme des masses produites est inférieure à la masse du noyau lourd. Dans le cas de la fusion, la masse du noyau plus lourd est plus petite que la somme des masses initiales des noyaux légers.

Il est facile de voir que pour initier une telle réaction, les énergies relatives des noyaux en collision (rappelez-vous, ils sont chargés positivement!) doivent être suffisamment élevées pour surmonter leur répulsion électrique. Par conséquent, afin de former des atomes d'hélium à partir de, par exemple, la fusion du deutérium et du tritium, le combustible doit être maintenu sous très hautes température et pression.

Un neutron est produit dans la réaction vient d'être décrit. Ce neutron a une énergie cinétique très élevée, qui est émise pendant le processus de ralentissement. Cette énergie peut être convertie en chaleur pour la production de vapeur, qui à son tour pourrait alors déplacer la turbine et d'exploiter un générateur d'électricité. Les neutrons produits dans des réactions de fusion peuvent également être utilisés pour la production du combustible nucléaire de l'uranium appauvri, à savoir contenant moins uranium 235U que l'uranium naturel (0,72%).

Environ un sur 6000 atomes d'hydrogène autour de nous (y compris l'hydrogène stocké dans l'eau) est un atome de deutérium. Cette abondance est une puissante incitation à concevoir une forme d'installation de réaction de fusion - qui aurait pour effet de donner à l'humanité une alimentation en énergie pour peut-être des milliards d'années!

Pour comparer: pour produire 1 GW-an d'énergie électrique, il faut environ 35 tonnes de UO2 pour la fission, et environ 100 kg de deutérium ainsi que 150 kg de tritium pour la fusion. Un autre aspect qui rend la fusion attrayante est l'absence presque totale de sous-produits radioactifs. En particulier, aucun matériel qui pourrait être utilisé pour la production d'armes nucléaires ne résultera du fonctionnement d'une centrale d'énergie par fusion. En outre, contrairement aux réacteurs nucléaires utilisant la fission, une explosion d'une telle installation est pratiquement impossible: si une explosion avait lieu, le plasma s'élargirait et refroidirait, ce qui arrêtrait implicitement le processus de fusion.

Cela ne signifie pas qu'il n'y a pas de risques liés aux réacteurs de fusion. En particulier, on doit garder à l'esprit la production massive de neutrons, et de tritium radioactif. La présence de sels de lithium en fusion et du béryllium cancérigène pourrait également présenter un problème.

Comme dans le cas des réacteurs de fission, beaucoup de rayonnement ionisant (des neutrons en particulier) est produit dans les réacteurs de fusion. Par conséquent, on s'attend à ce que l'un des principaux problèmes soit le blindage contre la radioactivité induite dans l'ensemble de l'installation. Le risque associé à un éventuel accident du système magnétique, qui stocke des quantités extrêmement élevées d'énergie, doit être considéré comme sérieux. En 1992, une équipe appelée European Safety and Environmental Assessment of Fusion Power, Sûreté Européenne et Evaluation Environnementale de la Puissance de Fusion, (SEAFP) a été créée. Le but de l'équipe est de travailler sur la conception des centrales de fusion, sur leurs conditions de sécurité et l'évaluation de leur impact sur l'environnement. Selon les évaluations de la SEAFP, les principaux avantages de la fusion sur les centrales à fission nucléaire consistent en ce que, dans le pire scénario, la libération de rayonnement ne sera jamais à un niveau qui obligerait les gens à évacuer. En outre, les déchets radioactifs produits dans les centrales électriques de fusion désintègrent relativement rapidement et ne nécessitent pas l'isolement de l'environnement. Un problème particulier est lié à la libération possible de tritium radioactif dans l'environnement. Ce gaz radioactif est très pénétrant, facilement dissout dans l'eau, et peut être encore longtemps dangereux après sa création (la demi-vie du tritium est d'environ 12 ans).

So far, all promises and hopes for energy production have turned out to be premature - only not too long ago has the energy produced equalled the energy supplied to the system (first in American TFTR and Japanese JT60, and at the Joint European Torus - JET). The main challenges are: maintain a stable plasma configuration, find materials that can withstand the intense neutron fluxes produced, extract energy for useful purposes and to produce sizeably more energy than is put in. Jusqu'à présent, toutes les promesses et les espoirs pour la production d'énergie se sont révélées être prématurés - il y a seulement peu de temps, l'énergie produite a égalé l'énergie fournie au système (la première fois au TFTR américain et au JT60 japonais, et au Joint European Torus - JET ). Les principaux défis sont les suivants: maintenir une configuration de plasma stable, trouver des matériaux qui peuvent résister à des flux intenses de neutrons produits, extraire de l'énergie à des fins utiles et produire des beaucoup plus d'énergie que ce que l'on met dans le système.

Image Credits:ITER
ITER, qui a commencé en 1985, mène actuellement les efforts pour commercialiser l'énergie de fusion. Le projet a pris un nouvel élan après que l'Organisation ITER ait été créé en 2007, avec la Chine, l'UE, l'Inde, le Japon, la Corée du Sud, Russie et Etats-Unis en tant que membres. La machine est maintenant en cours de construction à Cadarache, en France, visant à atteindre 500MW de puissance et un facteur de gain de fusion Q=5-10 dans un délai de 30 ans.

Pose des fondations du futur bâtiment Tokamak - Cadarache, Février 2014.

Malheureusement, l'énergie thermonucléaire (ainsi que d'autres formes d'énergie) a déjà été utilisé à des fins militaires avec la soi-disant bombe à hydrogène.