Introduction :

De nous jours, l’homme produit de l’énergie notamment grâce à la fission nucléaire se déroulant dans les centrales nucléaires. Cependant, ce type de production d’énergie possède plusieurs inconvénients comme les déchets radioactifs. Mais les scientifiques ont trouvé un autre moyen de produire de l’énergie toujours de façon nucléaire : la fusion nucléaire. Celle-ci est plus avantageuse mais plus difficile à réaliser. D’autre part, la fusion nucléaire est une réaction naturelle car les étoiles sont des réacteurs à fusion nucléaire. Dans notre exposé, nous allons développer les caractéristiques de cette méthode de production d’énergie ainsi que les avantages, les inconvénients et les problèmes encourus.

I. La fusion nucléaire :

1. Définitions et principes :

La fusion nucléaire est une réaction atomique produisant de l’énergie. L’énergie produite est sous forme de défaut de masse c’est-à-dire que de l’énergie se perd en étant libérée lors de la fusion des noyaux. L’énergie libérée se situe essentiellement dans le proton ou le neutron libéré lors de la fusion des noyaux (80% de l’énergie libérée). Cette énergie libérée répond à la théorie de la relativité d’Einstein : E = m.c² où E est l’énergie produite, m est la masse perdue et c est la célérité (égale à la vitesse de la lumière dans le vide).

L’énergie est une transformation dans laquelle la masse des corps mis en jeu a disparu, entre l’état initial (avant la réaction) et l’état final (après la réaction).

Pour réaliser une fusion de deux noyaux, il faut que ces derniers se rapprochent mais cela est très difficile car les noyaux ayant la même charge électrique se repoussent comme des aimants. Il faut donc vaincre ces forces de répulsion des noyaux chargés positivement et séparer de l’atome les électrons chargés négativement. Dans les états de la matière (solide, liquide et gazeux), cela est impossible. Cependant, les scientifiques ont découvert un quatrième état de la matière venant après l’état gazeux où les atomes se séparant de leurs électrons et où la barrière électromagnétique n’existe donc plus : cet état de la matière est le plasma.

Le plasma est un gaz dans lequel les noyaux et les électrons sont séparés. Cet état de la matière permet la fusion des noyaux car ces derniers se repoussent nettement moins. Cependant, cet état de la matière est très difficile à obtenir. Il faut une température très élevée de l’ordre de cent millions de degrés Celsius pour réaliser la fusion nucléaire sur Terre (cette température n’existe pas naturellement dans l’univers). De plus, il faut avoir une pression magnétique très élevée égale à la pression de dix atmosphères : cela diminue la répulsion entre les noyaux. Il nous faut un rapport de dix entre la pression du plasma (égale à la pression d’une atmosphère) et la pression magnétique (égale à la pression de dix atmosphères).

Les quatre états de la matière sont : Solide → Liquide → Gazeux → Plasma.

2. Réactions principales :

Il existe un grand nombre de fusions possibles car la fusion nucléaire peut se faire avec tous les atomes présents avant le fer dans la classification périodique des éléments.

La réaction la plus connue et la plus utilisée est la fusion entre un noyau de deutérium (D) et un noyau de tritium (T). Le deutérium est un isotope de l’hydrogène comportant deux nucléons (un proton et un neutron). Le tritium est un isotope de l’hydrogène comportant trois nucléons (un proton et deux neutrons). Cette réaction produit, à partir de ces deux noyaux, un noyau d’hélium et un neutron et libère 17,6 MeV en énergie (soit 2,8 x 10^-12 Joules). Cette fusion produit cinquante fois plus d’énergie qu’une réaction de fission nucléaire.

Les éléments réactifs sont abondants sur la Terre. On trouve 34 grammes de deutérium dans un mètre cube d’eau. Le tritium est un élément radioactif et n’est pas présent sur la planète car sa période de demi-vie est de douze ans (il n’en reste plus car notre planète a ‘,6 milliards d’années) mais il est très facile à créer en effectuant une fission nucléaire entre un noyau de lithium et un neutron.

Il existe d’autres types de fusions comme la fusion entre deux noyaux de deutérium. Cette fusion serait plus économique car on aurait d’énormes réserves de deutérium mais il faudrait atteindre une température d’un milliard de degrés Celsius et cette dernière libérerait quatre fois moins d’énergie.

Les documents suivants présentent les différentes équations de fusion nucléaire possibles.

La fusion deutérium – tritium

Quelques exemples de fusions nucléaires

3. Fusions naturelles :

Si la fusion nucléaire parait difficile sur la Terre, elle ne l’est pas dans l’espace. En effet, la plupart des étoiles tirent une énergie des fusions nucléaires qu’elles produisent. Les éléments nécessaires sont présents dans leur corps, la température au centre de l’étoile est suffisante (quinze millions de degrés Celsius au centre de notre Soleil) pour une fusion dans l’espace et on note la présence d’un vide absolu (aucune pression). Par exemple, notre Soleil dégage son énergie par de multiples fusions nucléaires se produisant à l’intérieur de son noyau où la température atteint les quinze millions de degrés Celsius.

Le plasma, état de la matière nécessaire pour la fusion, se trouve dans l’espace, dans les étoiles, dans les éclaires, dans les tubes à néons, …

II. Une nouvelle énergie :

1. Comparaison avec la fission nucléaire :

La grande différence qui existe entre la fusion et la fission nucléaire est que la fusion est une union de noyaux alors que la fission est une cassure d’un noyau. La fusion s’effectue avec les premiers éléments de la classification périodique alors que la fission s’effectue avec les derniers éléments de la classification périodique. Au niveau de la quantité d’énergie libérée, même si la formule donnant cette énergie est la même (théorie de la relativité), l’énergie émise par la fusion nucléaire est cinquante fois plus grande que celle émise par la fission nucléaire. Cela est donc plus avantageux et plus économique car les premiers atomes sont en plus grande quantité que les derniers. De plus, la fusion nucléaire ne forme pas de déchets radioactifs contrairement à la fission nucléaire.

Comparaison entre l’énergie de fission et de fusion

Energie	Avantages	Inconvénients	Production de 1000 MW par an
Fission	- Adapté à la production à grande échelle - Pas de pollution ni de rejet de gaz à effet de serre	- Acceptabilité du public - Gestion des déchets - Pas de sûreté passive	25 T d’uranium enrichi à 4%
Fusion	- Adapté à la production à grande échelle - Combustibles abondants - Pas de déchets - Pas de pollution ni de rejet de gaz à effet de serre - Sûreté	- Coût important - Faisabilité à démontrer - Long terme (vers 2080) - Technologie complexe	100 kg de deutérium et 150 kg de tritium

Atomes pouvant exercer une fusion ou une fission

2. Avantages et inconvénients :

La fusion nucléaire comporte plusieurs caractéristiques spéciales qui peuvent être des avantages ou des inconvénients :

Les avantages de la fusion nucléaire sont surtout économiques, écologiques et en matière de sécurité. En effet, l’énergie nucléaire serait l’énergie la moins coûteuse car les réactifs la produisant se trouvent dans la nature en très grande quantité : elle est donc adaptée à la production à échelle mondiale. De plus, c’est la moins polluante pour l’environnement car elle ne dégrade pas l’air contrairement aux hydrocarbures (pétrole et charbon) et on n’obtient que peu de déchets radioactifs et ces derniers sont peu dangereux : aucun des combustibles de base, le deutérium et le lithium, pas plus que le produit de la réaction, l’hélium (un gaz noble), ne sont radioactifs (on estime que même en cas d’accident majeur, il n’est pas nécessaire de faire évacuer la population proche du site accidenté). Enfin, il ne peut se produire d’accidents nucléaires comme à Tchernobyl car les réacteurs de fusion sont intrinsèquement sûrs : les conditions d’entretien de la réaction de fusion imposent l’utilisation d’un plasma très peu dense, très pur et à très haute température. La moindre perturbation de ce milieu entraîne son refroidissement rapide et l’arrêt automatique des réactions de fusion. L’emballement de la réaction est donc impossible. La quantité de combustible présent à tout instant n’autorise qu’un fonctionnement ne dépassant pas la minute.

Les inconvénients de la fusion nucléaire sont surtout techniques. En effet, il est très difficile de se mettre dans les conditions de pression (dix atmosphères), de température (cent millions de degrés Celsius), de densité de matière (très peu dense), de temps de confinement (durée de fusion très courte). Bien que la majorité des problèmes aient été partiellement ou définitivement résolus, cela entraîne une recherche à long terme et un coût d’investissement important dû à une technologie complexe et des matériaux onéreux.

3. Fonctionnement d’un réacteur à fusion :

Le réacteur est composé d’un cœur où se produit la réaction nucléaire entouré d’une « couverture » servant à la production du tritium et à la récupération de l’énergie produite sous forme d’énergie thermique. L’énergie thermique peut être transformée en énergie électrique selon un processus classique : ce processus classique est un échangeur à vapeur c’est-à-dire un circuit d’eau fermé passant dans le réacteur, chauffant l’eau qui va chauffer un autre circuit d’eau dans l’échangeur à vapeur (l’eau est sous forme de vapeur). Ce circuit fait tourner une turbine faisant tourner un générateur produisant de l’électricité.

Le cœur du réacteur doit dépasser cent millions de degrés Celsius. C’est à cette température que la matière est à l’état de plasma. Le confinement du plasma peut être assuré par deux méthodes : le confinement inertiel où le plasma est comprimé à l’aide de faisceaux lasers ou de particules très puissantes ou le confinement magnétique où le plasma est enfermé entre des parois immatérielles constituées par des champs magnétiques.

La machine « Tokamak Tore Supra » du Commissariat de l’Energie Atomique (CEA) réalise la fusion nucléaire. Il faut 30 MW pour alimenter la machine. La machine possède des supra conducteurs donnant aucune résistance au passage du courant ce qui minimise les pertes de tension. Le champ magnétique présent est de 4 Tesla : ce champ est crée par dix-huit aimants en opposition de pôle répartis autour de la machine. Dans le cœur de la machine, il faut que ce soit le vide absolu avant de mettre les réactifs et que la température soit de cent millions de degrés Celsius au lancement de la réaction de fusion.

La machine « Tore Supra »

Conclusion :

La production d’énergie basée sur l’utilisation des combustibles fossiles va devenir de plus en plus difficile à cause de la raréfaction des matières premières elles-mêmes et par la prise en compte du coût écologique de ce type de production. Il ne fait aucun doute que les énergies renouvelables ont un potentiel de développement considérable surtout dans un contexte où les aspects environnementaux revêtiront une importance croissante. Or la fusion nucléaire a des avantages importants comme de ne pas polluer l’environnement, d’utiliser des ressources inépuisables et d’être peu onéreuse. Voila pourquoi la fusion nucléaire représente l’avenir en matière de production d’énergie bien que les scientifiques doivent résoudre certains problèmes majeurs comme de démontrer la faisabilité, d’augmenter la capacité des réacteurs avant qu’elle devienne une source d’énergie mondiale.