LA FUSION

Le carburant

Le carburant utilisé pour la fusion thermonucléaire controlée est l'hydrogène et ses deux isotopes, le deutérium et le tritium. L'hydrogène est présent en abondance dans l'eau (H2O) et est composé d'un noyau de un proton et d'un électron qui l'orbite. Le deutérium est un des isotopes de l'hydrogène dont le noyau contient un neutron en plus du proton avec un électron qui orbite le noyau. Dans l'eau, un atome sur approximativement 6500 est un atome de deutérium. Le tritium est l'autre isotope de l'hydrogène et est caractérisé par un noyau constitué d'un proton et de deux neutrons. Absent à l'état naturel, le tritium peut être généré à partir du lithium, élément abondant dans la croute terrestre.

La figure ci-haut montre les trois isotopes de l'hydrogène. Chaque isotope possède un proton de charge positive (bleu) et un électron négatif (rouge). Ce qui différencie les isotopes entre eux est le nombre de neutron dans le noyau (jaune).

La réaction nucléaire de fusion

Durant le réaction de fusion, un noyau de deutérium et un noyau de tritium se combinent pour former un noyau d'hélium accompagné d'un neutron énergétique.



Reaction de fusion


La figure ci-haut illustre un noyau de deuterium qui se combine avec un noyou de tritium pour former un élément instable qui se décompose en un noyau d'hélium et un neutron énergétique.

La production de l'énergie



e=mc2


Durant la réaction de fusion, une faible quantité de matière semble disparaître, approximativement 38 parties par 10,000. Cette matière n'est pas disparue mais s'est en fait transformée en énergie selon la fameuse relation

E = mc2

Cette équation dit que l'énergie E libérée lors de la réaction est égale à la masse perdue m multipliée par la vitesse de la lumière au carré. Même une petite quantité de matière peut donner lieu à une quatité considérable d'énergie. Par exemple, si un raisin de 1 gramme était complètement converti en énergie, il en résulterait une énergie équivalente à celle contenue dans 10,000 tonnes de TNT!

Le plasma

Le plasma est un gaz ionisé. Dans le plasma, les électrons ont été arrachés du noyau central. Le plasma est donc une mer d'ions positifs et d'électrons négatifs qui se comporte comme un bon conducteur électrique susceptible d'être affecté par les champs magnétiques. Les électrons se trouvent séparés du noyau à condition que la température du gaz soit suffisemment élevée. Dans le plasma de fusion thermonucléaire, la température peut atteindre 100,000,000 de degrés centigrade.





Le schéma ci-haut illustre le plasma constitué d'ions positifs (bleu) séparés des ions négatifs (jaune).

Le confinement

La génération d'énergie à partir de la fusion requiert des températures énormes de quelques 100,000,000 de degrés centigrade de telle sorte que le contrôle d'une telle réaction est très difficile. Trois méthodes de confinement sont présentement connues: le confinement gravitationel qui est utilisé dans le soleil et les étoiles mais qui n'est pas possible sur terre, le confinement inertiel et le confinement magnétique.

Le confinement inertiel consiste à utiliser des sources d'énergie pulsées telles les faisceaux laser pour concentrer l'énergie sur une petite bille de carburant solide de fusion. Cette énergie pulsée comprime la bille jusqu'à 1000 fois la densité solide et chauffe celle-ci à des températures de fusion. Le confinement magnétique utilise des champs magnétiques pour confiner le gaz ionisé sous forme de plasma pendant qu'il est chauffé par des sources externes.



Confinement


La figure ci-haut illustre les trois moyens connus pour confiner la fusion. Le schéma du haut illustre le confinement magnétique dans lequel les particules chargées du plasma de fusion tournent autour des lignes de champs magnétiques et, de façon générale, se déplacent seulement parallèle à celles-ci. Le schéma en bas à gauche illustre le confinement gravitationnel ou la masse du soleil ou de toute autre étoile génère des forces gravitationnelles suffisantes pour comprimer et chauffer le carburant de fusion. Le schéma de droite illustre le confinement inertiel caractérisé par une intense force externe utilisée pour confiner et chauffer le carburant de fusion.

Le tokamak

La filière la plus avancée pour le confinement magnétique est sans contredit le tokamak. Le tokamak est une bouteille magnétique toroïdale, c'est-à-dire en forme de tore ou beigne, qui contient le plasma de fusion. Le champ magnétique de confinement est fourni par des bobines disposées toroïdalement autour de l'axe du plasma et par le courant plasma lui-même qui génère un champ magnétique dans la direction poloïdale. La somme des champs toroïdaux et poloïdaux assure le confinement du plasma.



tokamak

La figure ci-haut représente un tokamak. À l'extérieur sont montrés les bobines toroïdales en rouge qui produisent le champ magnétique toroïdal. Les bobines en bleu sont utilisées pour contrôler la forme du plasma. La chambre à vide en gris qui renferme le plasma se trouve sous les bobines. Le plasma est très chaud en son centre (blanc) et va en se refroidissant vers l'extérieur (rouge). Un courant électrique est induit dans la direction toroïdale qui produit un champ magnétique dans la direction poloïdale.

Sites à visiter

La fusion nucléaire comme source d’énergie pour le futur






par Claude Boucher