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.