La
température est l’un des points les plus important
de la fusion nucléaire. En
effet, pour que la fusion nucléaire ait lieu, il faut que la
température, et
donc la vitesse des particules soit suffisante pour permettre la fusion
des
noyaux d’hydrogène. Il existe trois types de
chauffages permettant de produire
les conditions de température nécessaire
à la fusion nucléaire. Souvent les
trois types de chauffages existants sont utilisés
simultanément.
L’effet
joule désigne le dégagement de chaleur de tout
courant passant dans un
conducteur. Or un courant circule dans le plasma et pour les
mêmes raisons que
la température d’un filament d’ampoule
augmente, le plasma gagne en température
sous l’effet joule des Méga Ampères qui
le traverse. Le plasma possède
une résistance de l’ordre de
quelques ohms. Par conséquent, le courant Ip (de
l’ordre du million d’Ampère)
génère du chauffage par effet joule (P=R.
Ip²).
La
loi de Joule
décrit le phénomène appelé
l'effet Joule : l'énergie calorifique E (en joule)
dégagée par un conducteur électrique
de résistance R (en ohm) traversé
par un courant d'intensité I (en ampère) pendant
un temps t (en seconde) est
donnée par la relation suivante :
E = R
x I² x t
L'énergie
calorifique (ou chaleur) E dépend donc de 3 facteurs :
- L'intensité
I du courant (le facteur le plus important puisqu'il est au
carré)
- Le
temps t pendant lequel circule le courant
- La
résistance R du conducteur
Par analogie avec un fil conducteur, plus la
température augmente, plus
la résistance diminue et dès lors, la
température limite que le plasma peut
atteindre grâce à son chauffage ohmique
n’est que d’une dizaine de millions de
degrés (il faut que la température soit au moins
10 fois supérieure pour que la
fusion des noyaux et donc la réaction de fusion commence). En
effet, au delà, la
conductivité du plasma est dix fois plus
élevée que celle du cuivre à
température ambiante. Donc l’augmentation de P
devient négligeable.
Il faut
donc d’autres
méthodes de chauffage pour
amener le plasma aux températures de fusion. La
deuxième méthode est
l’injection de particules neutres.
Le principe est
de créer et
d’accélérer un faisceau
d’ions
à travers un intense champ électrique en leur
apportant une grande énergie. Ce
faisceau d’ions à grande vitesse est ensuite
neutralisé (on lui rend ou prend
des électrons pour que le nombre
d’électrons soit égal au nombre de
protons),
avant d’être envoyé dans le plasma. La
neutralisation est une étape obligatoire
car le champ magnétique qui confine le plasma
l’empêche de s’échapper mais
il
empêche également aux autres particules
chargées de s’en approcher. Les
particules se déplaçant à une grande
vitesse pénètrent sans peine au cœur du
plasma. Les multiples collisions avec les autres particules permettent
aux
particules injectées de devenir chargée (elles
restent donc dans la zone de
confinement magnétique), et de répartir
l’énergie, donc la température.
Le
fonctionnement est
réalisé par étapes :
1-On produit des ions H+ et O+
2-On accélère ces ions (par de tension pouvant
atteindre 150 000 V) pour leur
donner une vitesse de quelques km.s-1
3-On fait passer ces ions à travers un gaz neutre
(d’H ou de D) pour les
neutraliser
4-On les injecte dans le plasma et on dévie les ions non
neutralisés (avec un
déflecteur qui attire les particules chargées
positivement ou
négativement)
5-Ces
particules, au contact du plasma,
s’ionisent et délivrent de
l’énergie (par collisions successives).
Une autre méthode un peu plus
complexe permet de
chauffer le plasma.
Le type
d’onde permettant le chauffage
du plasma est le même que celui
utilisé pour chauffer une tasse d’eau dans un
micro-onde. Les ondes agitent les
molécules de la tasse et de l’eau en les faisant
tourner sur elles-mêmes, ainsi
la tasse et l’eau ont une température plus
élevée qu’au départ. De
même, les
ondes font tourner sur elles-mêmes les particules du plasma
ce qui les chauffe.
On appelle cette absorption de l’énergie des ondes
par le plasma absorption
cyclotronique.
Absorption
cyclotronique.
On
constate que les particules ont un mouvement de rotation sur
eux-mêmes et que
le sens de rotation des ions et des électrons est
différent.
Dans le plasma comme dans
l’air, les
ondes se
propagent dans toutes les directions. Avec le champ
magnétique du confinement,
il importe de diriger correctement l’onde pour
qu’elle perde en amplitude et
cède son énergie au plasma (il serait mal venu
que l’onde gagne en amplitude et
prive le plasma de son énergie).
Grâce
à ces nombreux
procédés, le plasma est chauffé
à des températures voisines de 100 millions de
degrés Celsius, ce qui permet la réaction de
fusion nucléaire.
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l'équivalence masse énergie
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