Tout
d’abord, il est utile de préciser les
unités qui seront utilisées dans cette
partie.
En
physique, l'électron-volt (symbole eV) est une
unité de mesure d'énergie. Sa
valeur est définie comme étant
l'énergie d'un électron
accéléré par une
différence de potentiel d'un volt. Un
électron-volt est donc égal à environ
1,602 177 33 x 10-19 joule. Par abus de langage,
la température est
quelquefois aussi indiquée en keV. Le facteur de conversion
qui permet de passer
de l'électronvolt aux Kelvin est le suivant : 1
électronvolt = 11600 K.
Ensuite,
il faut préciser les différents isotopes
(même nombre de charges mais nombre de
protons différents) de l’hydrogène dont
nous parlerons dans cette partie
Pour
obtenir une réaction de fusion, il faut
rapprocher suffisamment près deux noyaux qui, puisqu'ils
sont tous deux chargés
positivement (dans le plasma), se repoussent. Une certaine
énergie est donc
indispensable pour franchir cette barrière et arriver dans
la zone, très proche
du noyau, où se manifestent les forces nucléaires
capables de l'emporter sur la
répulsion électrostatique. De plus, pour que la
fusion soit énergétiquement
rentable, il faut que l’énergie produite par les
réactions de fusion compense
au minimum ses pertes, ceci s'appelle le critère de Lawson.
Il existe
différents couples de combustibles permettant la fusion
nucléaire.
Cette réaction
est très peu probable
car elle nécessite, pour former un noyau de
deutérium (noté D ci-dessus), la
transformation d’un proton en neutron. C’est ce que
l’on appelle une
interaction nucléaire faible. Bien que le Soleil contienne 1060
protons
H+ et que deux de ces protons entrent en
collision 1 million de fois
par seconde, ils n’ont qu’une chance sur 10
milliards de fusionner par an ce
qui garantit une très longue durée de vie
(à notre échelle temporelle !)
au Soleil.
Pour que le nombre de
réactions par
seconde permette d'entretenir la réaction de fusion, il faut
que l'énergie
cinétique des noyaux, donc la température du
plasma constitué de deutérium soit
supérieure à 1 milliard de degré
Celsius soit 86
keV. A l'heure
actuelle, cette
température ne peut être atteinte dans les
réacteurs de fusion, c'est pour cela
que ce couple de réactifs n'est pas utilisé. Par
contre, cette réaction est
très intéressante car
le deutérium qui
est sont seul réactif n'est pas radioactif et cette isotope
de l'hydrogène est
présent dans l'eau de mer à hauteur de 35 mg.L-1,
ce qui est très
intéressant pour une utilisation massive.
Voila
la réaction de fusion qui a lieu :
2 1 H + 31H
--> 42He+
10n
Le
deutérium est extrait de l'eau de mer comme
détaillé précédemment et le
tritium
qui est peu présent dans la nature (1 tritium pour 1017
Hydrogène) doit être produit par une
réaction entre des neutrons et du
lithium : n + Li
-->
He
+
T
L'énergie
minimale à fournir pour obtenir une fusion est de 4 keV
(équivalent à une
température de 40 millions de degrés).
L’énergie alors libérée est
alors de
17,6 MeV répartie pour 80% dans les neutrons émis
et pour 20% dans l'hélium4
produit. Mais l'énergie nécessaire pour atteindre
le critère de Lawson et un
rendement suffisamment positif se situe vers 10 keV soit 100 millions de degré.
Cette
température peut actuellement être atteinte.
La
probabilité de passage de la barrière
coulombienne peut être quantifiée par la "section
efficace". La
variation en fonction de l'énergie d'interaction
exprimée keV
des sections efficaces de plusieurs
réactions de fusion est indiquée sur la courbe
ci-contre.
D'un
point de vue strictement énergétique, la
réaction
de fusion entre deux atomes
de deutérium est la réaction qui produit le plus
d'énergie. Cependant, cette
réaction nécessite une énergie
très
importante, la température nécessaire
dépasse le milliard de degré celsius. Cette
réaction ne peut donc pas être
utilisée actuellement car il n'est pas encore possible de
produire une
température de cet ordre dans un réacteur. La
réaction qui a un avenir proche (si les recherches
aboutissent!)
dans la fusion nucléaire est le couple deutérium
tritium. En effet,
l’énergie cinétique à
fournir est
relativement faible puisqu’elle n’est seulement de
10 keV soit 100 millions de
degrés Celsius.
Donc,
le couple le plus performant, et le plus utilisé
actuellement est le couple de
réactifs deutérium-tritium.
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énergie
