Fusion nucléaire

Fusion nucléaire

La fusion nucléaire est la combinaison des noyaux de deux atomes légers pour en former un plus lourd. La masse du nouvel atome est inférieure à la somme des masses des atomes orignaux. La fusion nucléaire est donc une façon de transformer une masse en ÉNERGIE. Les étoiles, en particulier le SOLEIL, tirent leur énergie de cette réaction. À masse de matériau égale, le processus de la fusion produit huit fois plus d'énergie que la fission de l'uranium (voir ÉNERGIE NUCLÉAIRE) et plus d'un million de fois que la combustion de combustibles fossiles. La fusion est une source d'énergie très intéressante non seulement parce qu'elle fournit une quantité énorme d'énergie, mais aussi grâce à l'abondance presque illimitée de ses combustibles et parce que son principal sous-produit, l'hélium, est inerte, contrairement aux sous-produits radioactifs des réacteurs à fission classiques. La source de l'un des principaux combustibles, le deutérium, un isotope d'hydrogène présent dans l'eau de mer ordinaire, est pratiquement inépuisable. L'autre combustible principal, le tritium, s'obtient à partir du lithium que l'on trouve dans des gisements terrestres et dans l'eau de mer, lesquels abritent des réserves pouvant tenir des milliers d'années.

Il n'y a aucun danger d'émission incontrôlée d'énergie ni de réactions d'emballement, car le réacteur contient toujours une très petite quantité de combustible. Les problèmes de radioactivité, de manipulation des combustibles, de contamination et d'élimination des déchets sont minimes comparativement à ceux des réacteurs à fission des CENTRALES NUCLÉAIRES. La première réaction de fusion artificielle a eu lieu dans la bombe thermonucléaire à hydrogène américaine essayée en 1952. Malheureusement, il est très difficile de confiner cette réaction et de la maîtriser à des fins pacifiques. Les expériences contrôlées ont à peine atteint le point ou l'énergie libérée est supérieure à l'énergie d'entrée, mais, si la recherche et le développement sont couronnés de succès, la fusion pourrait être une importante source d'énergie commerciale au début du XXI^e siècle.

Les réactions de fusion importantes sont celles qui impliquent les isotopes de l'HYDROGÈNE : l'hydrogène (H), consistant en un proton et en un électron; le deutérium (D), un proton, un neutron et un électron; et le tritium (T), un proton, deux neutrons et un électron. Les produits de ces réactions sont l'hélium (He⁴), aussi appelé particule alpha, et les neutrons (n) ou les protons (p) de grande énergie. Les réactions de fusion sont difficile à lancer, car les noyaux qui interagissent se repoussent fortement puisqu'ils possèdent chacun une charge électrique positive. Il n'y a fusion que si la vitesse à laquelle les noyaux s'approchent l'un de l'autre est assez grande pour surmonter les forces de répulsion électrostatique.

Libérer de l'énergie à un niveau pratique en employant un mélange gazeux de deutérium et de tritium comme combustible exige le réchauffement du milieu réactif jusqu'à des températures d'au moins 100 millions de degrés Celsius. Le gaz commence à s'ioniser lorsque les électrons se détachent des atomes, même à des températures plus basses. Dans cet état, appelé plasma, les électrons séparés, de charge négative, et les noyaux de charge positive se déplacent librement et donnent au mélange des propriétés différentes de celles d'un gaz normal. Pour libérer une énergie plus grande que celle qui est fournie, il faut confiner le plasma pour qu'il y ait un nombre suffisant de réactions. Dans le Soleil, le champ de gravitation chauffe et confine le combustible, soit l'hydrogène, ce qui permet la formation d'hélium et d'autres éléments plus lourds. Sur Terre, il y a deux façons de contenir et de réchauffer le plasma : par confinement magnétique et par confinement inertiel.

Étant donné que le plasma est un très bon conducteur de l'électricité, il peut être influencé par les champs magnétiques. À l'intérieur de ceux-ci, les particules de plasma doivent suivre des trajets en spirale le long des lignes du champ. Ces champs magnétiques peuvent donc confiner les particules chargées du plasma à haute température et les empêchent de frapper les parois du réacteur qui les contient. De nombreux modèles de confinement magnétique sont suggérés et essayé expérimentalement. Le tokamak est un très grand succès : c'est un appareil pourvu d'une enclave torique autour de laquelle les champs magnétiques s'enroulent pour confiner le plasma. Ces champs sont produits par des bobines magnétiques extérieures et par des courants électriques qui traversent le plasma.

Le chauffage initial s'obtient souvent en faisant passer un courant dans le plasma ou en changeant rapidement le champ magnétique de confinement, mais on ne peut obtenir les températures requises de ces façons. On utilise donc des techniques de chauffage auxiliaires : par exemple, chauffage par injection au moyen d'un faisceau de neutres (ces atomes neutres à haute énergie pénètrent dans le plasma chaud où ils sont immédiatement ionisés et piégés par le champ magnétique) ou chauffage à haute fréquence (des ondes électromagnétiques à haute fréquence produites par des oscillateurs externes pénètrent dans le plasma où leur énergie est transmise aux particules chargées).

Lors de la fusion par confinement inertiel, la compression d'une petite pastille sphérique de combustible jusqu'à une densité extrêmement élevée chauffe ce dernier à la température requise et la fusion s'enclenche avant qu'il ne se désassemble. L'interaction a lieu si rapidement que la pastille comprimée reste en bloc grâce à sa propre inertie. On fournit les impulsions d'énergie intenses nécessaires pour chauffer rapidement les couches périphériques de la pastille de combustible surtout à l'aide de rayons LASER de grande puissance à impulsions courtes ou à l'aide de faisceaux de particules ionisées. L'explosion de la matière vaporisée qui en résulte fait imploser le combustible. L'allumage du combustible deutérium-tritium exige une compression d'environ vingt fois la densité du plomb.

C'est ce qu'utilise la bombe à hydrogène. De nombreux pays (dont les États-Unis, l'ex-URSS, le Japon et la Communauté économique européenne) mène des recherches intensives sur l'énergie utilisable par fusion thermonucléaire contrôlée.

Les recherches canadiennes se font sur l'appareil tokamak du laboratoire de recherche national de VARENNES, Québec, Canada has a national research facility based on a tokamak machine. The $40-million facility was financed by NRC and Hydro-Québec. The research program is being conducted by a joint utilities/university/industry team composed of Institut de recherche de l'hydro-Québec, Intitut national de la recherche scientifique, Université de Montréal, MPB Technologies Inc and Canatom Inc under the management of both Atomic Energy of Canada Ltd and Hydro-Québec.