Dossier : La fusion nucléaire, le plus grand défi technologique

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Décryptages

Qu'est-ce que la fusion nucléaire ?

La fusion nucléaire est un phénomène naturel des étoiles, à chaque instant au sein du soleil se dégage en effet une énergie considérable. Mais comment la reproduire sur la Terre de façon contrôlée ? La première difficulté est d’assurer des températures et des champs magnétiques extrêmes, conditions qui sont loin d’être celles de notre atmosphère.

Image virtuelle de la chambre de confinement du futur réacteur ITER © AFP

La fusion nucléaireLa fusion nucléaire désigne le phénomène par lequel deux atomes fusionnent en un atome plus lourd en dégageant de l'énergie... est l’assemblage de deux noyaux atomiques légers pour former un noyau plus lourd. Il se distingue donc de la fission nucléaireDésintégration d'un noyau atomique lourd instable en plusieurs noyaux plus légers (le plus souvent deux)..., en œuvre dans les centrales nucléaires, où il s’agit de « casser » des noyaux très lourds.

Un phénomène solaire…

Chaque seconde, le soleil transforme 600 millions de tonnes d'hydrogèneL'hydrogène est l'atome le plus simple et le plus léger. C'est l'élément de très loin le plus abondant de l’univers. en hélium, plus lourd1. L'énergie dégagée est alors considérable. Cela est rendu possible par la chaleurAujourd'hui, en thermodynamique statistique, la chaleur désigne un transfert d'agitation thermique des particules composant la matière... qui règne au cœur du soleil – des millions de degrés.

Lors de la fusion, l'hydrogène forme un plasma (état de la matière portée à très haute température). Dans celui-ci, les noyaux d'atomesL'atome est le constituant fondamental de la matière, la plus petite unité indivisible d'un élément chimique... perdent leurs électronsLa matière est composée d'atomes. Un atome comporte un noyau formé de protons (particules de charge électrique positive) et de neutrons... et les forces de répulsion entre eux sont très fortes. Mais il arrive que certains fusionnent, se transforment en hélium et libèrent de grandes quantités d'énergie. Dans le soleil, la probabilité de fusion entre deux noyaux d'hydrogène est extrêmement faible, mais elle est compensée par les immenses quantités de noyaux présents.

... difficile à reproduire sur Terre

Le phénomène de fusion nucléaire a été réalisé par l’Homme, mais de façon incontrôlée, dans les tristement célèbres bombes thermonucléaires (bombe HBombe nucléaire dont l'essentiel de l'énergie dévastatrice provient de la réaction de fusion de noyaux légers (deutérure de lithium LiD)...). Le problème est de contrôler le processus…

La première condition est d'obtenir une température extrêmement importante : jusqu'à 200 millions de degrés. Or aucun matériau ne résiste à une telle température. Les chercheurs travaillent donc principalement sur le « confinement magnétique ». Il revient à maîtriser, à très haute température, un plasma confiné dans une boîte immatérielle en forme d'anneau, créée par des champs magnétiques de très haute intensité.2

200 millions de degrés : la température nécessaire pour réaliser la fusion nucléaire.

D'autre part, pour augmenter la probabilité de fusion, on a recours à des isotopesLes atomes d’un même élément peuvent comporter un nombre différent de neutrons tout en conservant le même nombre de protons... (atomes ayant le même nombre de protonsLes protons sont des particules de charge électrique positive. Ils constituent avec les neutrons le noyau de l’atome. mais un nombre de neutronsLes neutrons sont, avec les protons, les particules constituantes du noyau de l’atome. Ils sont électriquement neutres. différent) de l'hydrogène :

  • le deutérium (2H) extrait de l'eau de mer ;
  • le tritium (3H) n'existe pas sur Terre ni dans les basses couches de l'atmosphère. Il est produit en très petites quantités dans la fission des réacteurs nucléaires classiques. Il se génère également par irradiation de lithium, un élément qui, lui, se trouve abondamment sur Terre. Il est à noter que le tritium, contrairement au deutérium, possède une demi-vie (durée au cours de laquelle l'activité radioactive décroît de moitié) courte (12 ans).

Au cœur du système

La production d'énergie à partir de la fusion nucléaire peut-être décrite schématiquement par les cinq processus suivants :

  • le plasma est placé dans une chambre à vide, c’est-à-dire une enceinte en inox parfaitement hermétique formant une première barrière de sûreté3. Il est ionisé (le nombre de ses atomes est modifié) et chauffé par une décharge électrique très intense ;
  • l'ajout régulier de deutérium de haute énergie, l'émission d'ondes radio vers le plasma et la production de noyaux d'hélium très énergiques contribuent au maintien de la température extrême nécessaire aux réactions de fusion ;
  • le champ magnétique intense (50 000 fois le champ magnétique terrestre), nécessaire au confinement du plasma, est assuré par les courants électriques circulant dans le plasma et à l'extérieur de la chambre à vide, dans des bobines ;

Il faut créer un champ magnétique 50 000 fois supérieur au champ terrestre pour confiner le plasma.

Les scientifiques du monde entier se sont engagés depuis plus de 50 ans dans ces recherches mais ont encore des décennies de travail devant eux. (voir le décryptage « La fusion nucléaire, une maîtrise encore incertaine »).
 

Une femme à l'origine de la découverte Quelques décennies après les travaux de la prix Nobel Marie Curie sur la radioactivité, une autre femme a pris une part active à la découverte du phénomène de fusion nucléaire. La physicienne autrichienne Lise Meitner a participé, aux côtés des chimistes allemands Otto Hahn et Fritz Strassmann, aux études qui ont permis de la décrire en 1938.


Sources :

(1)  ITER 

(2) ITERCAD et ITER  

(3) ITER