Introduction

Le principe de la fusion thermonucléaire est la création d'un gros noyau à partir de deux plus légers dans un domaine particulier de température (et donc de pression). La fusion artificielle entre donc en jeu. C'est sans doute la fusion la plus simple à réaliser. Il s'agit de faire entrer en collision un atome de deutérium de symbole 2H avec un atome de tritium de symbole 3H (ce sont tous deux des isotopes de l'hydrogène).

La fusion de ces deux isotopes est avantageuse car elle produit une grande quantité d'énergie. En effet la fusion de deux noyaux très légers au départ produit plus d'énergie que la fusion de deux plus gros noyaux comme le fer par exemple. Elle est plus simple à réaliser également.

Comment fonctionne la fusion nucléaire ?
Lors de la fusion, les deux noyaux d'atomes s'interpénètrent. C'est justement parce que les noyaux se repoussent que l'énergie dégagée par la fusion est colossale.

À ce niveau-là un problème physique se pose. En effet les noyaux sont tous deux de charge positive et nous savons que, d'après la loi de Coulomb, des charges identiques se repoussent. On peut donc penser au premier abord qu'il est impossible de faire se rencontrer deux noyaux de même charge. Il a donc fallu trouver un moyen pour surmonter cette force coulombienne. C'est là que le facteur de la chaleur intervient. En effet, à une très haute température la « barrière » coulombienne est surmontée et la collision des noyaux peut donc se produire. (Sur le soleil et les étoiles la température est extrêmement élevée !)

Il faut donc parvenir à recréer ce domaine de température. Une autre difficulté à résoudre. Les tokamak (photo ci-dessus) permettent en partie cette reproduction mais le niveau de température produit n'est pas suffisant et la fusion en devient très peu contrôlable.

Reproduire un environnement de plusieurs centaines de millions de degrés est extrêmement dur en laboratoire. Deux méthodes ont pourtant été trouvées pour tenter de produire le plus de chaleur.

La première est le confinement magnétique (cas des tokamaks). Les combustibles, dans ce cas sous forme de plasma de part la température, sont influencés par de champs magnétique très puissants et qui favorisent la fusion.

La deuxième est le confinement inertiel. On utilise des lasers afin de combiner les noyaux pour la fusion. Ces deux méthodes sont pratiques mais la chaleur n'est pas encore suffisante pour un résultat véritablement satisfaisant.

La fusion, actuellement, est mal contrôlée. Son utilisation en production électrique par exemple est peu recommandée. De plus, de nos jours il faut beaucoup d'énergie pour produire la chaleur suffisante et l'on obtient un faible rendement. Cela n'est donc pas avantageux, lucratif bien que depuis une trentaine d'année les progrès aient été considérables en terme de production et de rendement d'énergie. Mais cette production à très grande échelle laisse encore des doutes sur sa fiabilité.

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Le nucléaire

Un noyau radioactif est un noyau instable qui va se désintégrer et ainsi se transformer en un autre noyau plus stable ou non.

Cette désintégration est un phénomène aléatoire, spontané et inéluctable (qu'on ne peut empêcher).

La désintégration s'accompagne de l'émission d'une particule et d'un rayonnement électromagnétique.

Il existe trois types de radioactivités.

Comment fonctionnent les centrales nucléaires ?
Malgré les controverses, le nucléaire reste le meilleur moyen de produire de l'électricité. Si l'on arrivait à contrôler la fusion, on pourrait alors produire de l'électricité sans déchet nucléaire. En effet, la fusion nucléaire donne des atomes stables, qui ne présentent plus aucune radioactivité.

Radioactivité bêta

La radioactivité bêta est un type de désintégration radioactive où une particule bêta (électron ou positron) est émise. On parle de radioactivité bêta + quand un positron est émis mais on parle de radioactivité – quand c’est un électron qui est émis.

Radioactivité alpha

La radioactivité alpha est un rayonnement provoqué par une désintégration alpha qui est une désintégration radioactive où un noyau atomique éjecte une particule alpha qui se transforme en un autre noyau dont le nombre de masse est diminué de 4 et le numéro atomique de 2 à cause de la particule alpha manquante qui est analogue au noyau d’hélium 4.

Radioactivité gamma

La radioactivité gamma est un rayonnement provoqué par une désintégration gamma. Le plu souvent, ces désintégrations accompagnent des désintégrations alpha ou bêta. En effet, quand il émet un rayon alpha ou bêta, le noyau devient excité. Lors de l’émission d’un rayonnement électromagnétique gamma, le noyau peut donc redescendre à un état plus stable.

Les isotopes

Des noyaux isotopes sont des noyaux que renferment le même nombre de protons mais un nombre de neutrons différents, ils ont le même symbole.

Certains de ces isotopes sont radioactifs.

En résumé, des isotopes sont des atomes qui possèdent le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons.

La stabilité de l'atome

Pour que le noyau et les électrons restent stables entre eux, il faut réunir certaines conditions. Ils sont donc liés par une énergie de liaison. Si ils ne sont pas bien liés entre eux, les atomes deviennent instables et se transforment. Ils sont donc radioactifs.

La demie-vie

La demie-vie d'un isotope se caractérise par la période au bout de laquelle la moitié des atomes d'un certain échantillon initial radioactif se sera désintégré.

Période radioactive

On appelle période radioactive le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux d’un isotope radioactif se désintègre de manière naturelle. Cette période n’est influencée en aucun cas par les conditions de l’environnement, que ce soit la température, la pression ou encore le champ magnétique, elle est propre à l’isotope en question. Statistiquement, on peut dire que la période radioactive est le temps à l’issue duquel le noyau de l’atome a 50 % de chances de s’être désintégré.

Comment les éléments radioactifs se désintègrent-ils ?
Quel que soit l'élément en question, la radioactivité se diffuse toujours avec le temps. Cependant, il arrive parfois que l'élément se désintègre en plusieurs milliers d'années.

Composition du noyau

Le noyau d'un atome se compose d'éléments que l'on appelle les nucléons. Ce sont eux qui définissent le nombre de massa d'un atome.

Le nombre de masse d’un atome est le nombre de nucléons qu’il contient. Il s’agit donc de la somme du nombre de protons et du nombre de protons qui constituent le noyau de l’atome

Dans ces nucléons se trouvent des protons dont la charge est positive et des neutrons à charge neutre. Ces deux composants sont très fortement liés entre eux.

Le rayon d'un nucléon est d'environ 10-15 m alors que l'atome tout entier a un diamètre avoisinant les 10-10 m.

La fusion nucléaire

La fusion nucléaire est un processus physique impliquant deux noyaux radioactifs. Ces deux atomes vont voir leur noyaux se combiner afin de former un atome plus lourd.

C'est ce type de réaction que l'on retrouve dans les étoiles de l'Univers.

Cette réaction nucléaire dégage énormément d'énergie sous forme de chaleur.

Cependant, de nos jours, nous ne savons toujours pas la contrôler, à l'inverse de la fission nucléaire, utilisée dans les centrales nucléaires.

La fusion nucléaire est vue comme une source d'énergie inépuisable, qui permet de produire beaucoup d'énergie avec peu de ressources.

Découverte de la fusion

La fusion nucléaire a commencé à être appréciée dès le début des années 1900.

C'est un astrophysicien qui pour la première fois suppose en 1920 que l'énergie émise par les étoiles provient de la fusion de leurs noyaux d'hydrogène. Il s'appelait Arthur Eddington. Astrophysicien britannique, on lui doit la limite d'Eddington, définissant la luminosité maximale émise par une étoile selon sa masse. Il a aussi travaillé sur la relativité et a inspiré la théorie de la relativité générale d'Einstein.

Ernest Rutherford est alors le premier à réaliser une réaction de fusion nucléaire avec du deutérium en laboratoire.

C'est cependant en 1938 que la formule de Weizsäcker va être énoncée par Hans Bethe et Carl Friedrich von Weizsäcker, deux allemands. Elle sert à calculer l'énergie de liaison entre les nucléons.

Dans les années 1940, les recherches sur la fusion nucléaire ont repris pendant la guerre.

Fonctionnement de la fusion

La fusion nucléaire se produit quand deux noyaux atomiques s'entrechoquent et finissent par pénétrer l'un dans l'autre. Pour que cette fusion se fasse, il faut que la température soit extrêmement élevée. Ces chaleurs peuvent s'élever à plusieurs centaines de millions de degrés pour certains noyaux atomiques.

Lors de la fusion, les noyaux se retrouvent dans un état très instables et doivent alors émettre des particules afin de retrouver leur stabilité. Il peut s'agir d'un proton, d'un neutron ou d'un noyau d'atome.

Comment faire fusionner deux atomes ?
La fusion demande une chaleur incroyable pour pouvoir se réaliser. C'est pourquoi il est très dur de reproduire les conditions nécessaires à sa réalisation en laboratoire.
Cependant, des recherches ont lieux pour créer des tokamaks, des dispositifs de confinement magnétiques, permettant de favoriser la fusion des atomes.

Utilisation de la fusion nucléaire

Nous ne sommes aujourd'hui pas en mesure de contrôler la fusion nucléaire à grande échelle.

En effet, les noyaux ont tendance à se repousser. Cependant, la fusion nucléaire serait une source d'énergie énorme et permettrait une meilleure efficacité tout avec un impact moindre sur l'environnement, comparé à la fission nucléaire.

C'est pourquoi les chercheurs essaient à tout prix de la maîtriser, notamment en effectuant des essais sur la fusion en confinement magnétique par exemple.

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.