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La fusion nucléaire

La matière dans tous ses états


La fusion de l'hydrogène intervient dans le Soleil mais elle est extrêmement difficile à réaliser. Sur Terre, les physiciens comptent obtenir la fusion de deux éléments très proches de l’hydrogène : le deutérium et le tritium, pour lesquels les conditions de fusion sont plus facile à atteindre qu’avec l’hydrogène lui-même.

Publié le 4 août 2015

Le principe de la fusion pour l’énergie

La fusion de l'hydrogène intervient dans le Soleil mais elle est extrêmement difficile à réaliser. Sur Terre, les physiciens comptent obtenir la fusion de deux éléments très proches de l’hydrogène : le deutérium et le tritium, pour lesquels les conditions de fusion sont plus facile à atteindre qu’avec l’hydrogène lui-même.


Comment produire de l'électricité à partir de la fusion ?

La fusion du deutérium et du tritium donne naissance à un noyau d'hélium, un neutron et à un fort dégagement de chaleur. L'hélium va continuer sa course dans le plasma et participer à maintenir une température suffisamment élevée pour que les réactions de fusion continuent.
Les neutrons, quant à eux, vont venir percuter les parois du réacteur et les chauffer. Cette chaleur sera alors récupérée par un fluide, de l'eau par exemple, qui circulera derrière ces parois. Elle permettra ensuite, une fois transformée en vapeur, d'actionner des turbines et de produire de l'électricité.


Première étape : porter la matière dans un état propice à la fusion

VidéoLe plasma, 4ème état de la matière

AnimationRéaction de fusionAfficher en plein écran

 
* Deux isotopes possèdent le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons.

** Le plasma se refroidit très vite, ce qui a pour conséquence de stopper les réactions de fusion. Ce « défaut » est aussi un avantage car le réacteur s’arrête très rapidement au moindre problème.

Fusion et combustible nucléaire

Le combustible nucléaire pour la fusion est composé de deux isotopes de l’hydrogène le deutérium et le tritium. Le deutérium se trouve en abondance dans l’eau. Le tritium n’existe sur Terre qu’a l’état de trace. Toutefois, le tritium peut être produit in situ dans les éléments de couverture du réacteur en faisant interagir les neutrons issus de la réaction de fusion avec du lithium, un élément chimique relativement abondant (33e élément le plus abondant sur Terre) et largement distribué dans la nature.

Faire fusionner le deutérium et le tritium, deux isotopes* de l'hydrogène. L'exercice n'est pas simple puisque ces deux noyaux de même charge électrique positive se repoussent. Pour augmenter leurs chances de rencontre et de fusion, on injecte le mélange gazeux dans le tokamak, et on porte la température à plus de 100 millions de degrés. Les atomes s'agitent alors de plus en plus, prennent de la vitesse et s'entrechoquent, perdant progressivement leurs électrons. Le gaz fait place au plasma, mélange composé de noyaux et d’électrons...


Deuxième étape : contenir la matière dans les bonnes conditions

Conserver le plasma au même endroit afin d'éviter qu'il ne se refroidisse**. Pour cela, le plasma est « piégé » dans des champs magnétiques très intenses (50 000 fois le champ terrestre), comme dans une cage virtuelle.

Ces deux premières étapes sont aujourd'hui franchies. Les scientifiques tentent maintenant de mieux contrôler la stabilité du plasma et d'accroître sa production d'énergie.


La fusion est-elle une énergie propre?

H2O comme carburant

Pour réaliser des réactions de fusion, les physiciens font appel à deux isotopes de l'hydrogène, le deutérium et le tritium. Ces éléments ont l'avantage d'être disponibles sur Terre, directement ou indirectement, en très grande quantité. En effet, le deutérium se trouve à l'état naturel dans l'eau de mer (33 g/m3). Le tritium peut, quant à lui, être fabriqué à partir du lithium que l'on trouve dans la croûte terrestre (20 mg/kg) ou dans les océans (0,00018 mg/m3). Dans le futur, les scientifiques souhaitent transformer le lithium en tritium au sein même du réacteur. Pour cela, ils construiront des parois recouvertes de lithium qui, sous l'action des neutrons libérés par les réactions de fusion, se transformeront en tritium.

Par ailleurs, quelques grammes de combustible suffiront pour déclencher et entretenir les réactions de fusion. Une centrale à fusion aura ainsi besoin de 100 kg de deutérium et de 3 tonnes de lithium (contre 1,5 million de tonnes de charbon pour une centrale thermique) pour fonctionner toute une année.


Les produits issus de la réaction de fusion

Le seul déchet produit par la réaction de fusion elle-même est l'hélium, un gaz inoffensif pour l'environnement. En revanche, les neutrons libérés lors des réactions de fusion viennent percuter les parois du réacteur et rendent leur matière radioactive. Certains matériaux de structure des futurs réacteurs deviendront ainsi des déchets radioactifs, qu'il faudra stocker pendant une centaine d'années avant de pouvoir les réutiliser.