thermonucléaire, énergie.

thermonucléaire, énergie. 1 PRÉSENTATION thermonucléaire, énergie, énergie fournie par une réaction de fusion thermonucléaire. 2 FUSION THERMONUCLÉAIRE 2.1 Principe La fusion est la réunion de plusieurs noyaux atomiques légers en un seul. Cette réaction libère une quantité considérable d'énergie. Les étoiles, y compris le Soleil, sont le siège de réactions de fusion thermonucléaire, qui se manifestent par l'émission de flux de particules et de rayonnements électromagnétiques, notamment sous forme de lumière. Ces réactions sont très difficiles à reproduire en laboratoire, car elles nécessitent de provoquer une collision entre deux noyaux de même charge électrique, qui subissent donc une trop forte répulsion électrostatique. Cela ne peut s'obtenir qu'à des températures suffisamment élevées pour que le mouvement thermique puisse surmonter la « barrière coulombienne « (due aux forces répulsives de Coulomb) ; c'est pourquoi il s'agit de fusion « thermonucléaire «, qui produit donc de l'énergie « thermonucléaire «. 2.2 Recherche La fusion nucléaire artificielle fut d'abord réalisée au début des années 1930 en bombardant une cible contenant du deutérium, isotope de l'hydrogène de nombre de masse 2, avec des deutérons (noyaux du deutérium) de haute énergie dans un cyclotron (voir accélérateur de particules). Pour accélérer le faisceau de deutérons, une grande quantité d'énergie était nécessaire, mais la plus grande partie de celle-ci se transformait en chaleur dans la cible. Aucune énergie utilisable ne fut donc produite de cette façon. Au cours des années 1950, les premières productions d'énergie nucléaire de fusion à grande échelle furent réalisées lors des essais des armes thermonucléaires par les États-Unis, l'URSS, le Royaume-Uni et la France. Une telle émission d'énergie, brève et incontrôlée, ne peut être utilisée pour produire de l'électricité. Dans les réactions de fission (voir chimie nucléaire), le neutron, électriquement neutre, peut facilement s'approcher d'un noyau fissile et réagir avec celui-ci, comme par exemple avec l'uranium-235. Dans une réaction de fusion, en revanche, les noyaux impliqués portent chacun une charge électrique positive ; la répulsion qui en résulte doit donc être surmontée. On y parvient lorsque la température du gaz devant réagir atteint des valeurs suffisamment élevées, de 50 à 100 millions de degrés Celsius. Pour un gaz constitué de deutérium et de tritium, isotopes lourds de l'hydrogène, la réaction de fusion qui se produit a pour bilan : Elle libère environ 17,6 MeV. L'énergie se manifeste d'abord sous forme d'énergie cinétique du noyau d'hélium-4 et du neutron, puis elle est rapidement transformée en chaleur diffusant dans le gaz et les matériaux qui l'entourent. Si la densité du gaz est assez importante (à de telles températures, une pression de 10-5 atm est suffisante, ce qui correspond pratiquement au vide), le noyau d'hélium-4 contenant l'énergie peut la transférer à l'hydrogène environnant et permettre une réaction de fusion en chaîne qui maintient la température. Dans ces conditions, on dit qu'une « ignition nucléaire « s'est produite. À des températures supérieures à 100 000 °C, tous les atomes d'hydrogène sont totalement ionisés. Le gaz est formé d'un mélange électriquement neutre de noyaux chargés positivement et d'électrons libres chargés négativement. Cet état de la matière est appelé plasma. Un plasma ayant une température suffisante pour la fusion ne peut être confiné avec des matériaux classiques : il se refroidirait très rapidement et les parois des récipients seraient détruites. Cependant, comme un plasma est constitué de noyaux et d'électrons chargés qui se déplacent en spirales serrées autour des lignes de champ magnétique, il peut être confiné dans un espace soumis à un champ magnétique approprié. 2.3 Critère de Lawson Pour obtenir une fusion nucléaire contrôlée, il faudrait chauffer le plasma et confiner une quantité suffisante de noyaux réactifs pendant un temps assez long afin de libérer plus d'énergie qu'il n'est nécessaire pour chauffer et confiner le gaz. Cette condition est remplie lorsque le produit du temps de confinement t par la densité n du plasma est supérieur à une valeur notée L, environ égale à 1020 m-3.s. La relation n.t > L est appelée critère de Lawson, L étant le nombre de Lawson, du nom du physicien qui l'a introduit. Le problème final est de capter cette énergie et de la transformer en électricité. 3 FUSION PAR CONFINEMENT MAGNÉTIQUE : LE TOKAMAK De nombreuses méthodes de confinement magnétique de plasma sont testées à partir des années 1950 aux États-Unis, en URSS, au Royaume-Uni, au Japon et en France. Des réactions thermonucléaires sont réalisées, mais le nombre de Lawson n'a que rarement dépassé 1018 m-3.s. Cependant, le tokamak (du russe toroidalnaja kamera magnetnaja katuska, soit « chambre toroïdale à confinement magnétique «), un système conçu à l'origine par Igor Tamm et Andreï Sakharov en Union soviétique, donne des résultats encourageants au début des années 1960. La chambre de confinement d'un tokamak a la forme d'un tore ayant un petit diamètre d'environ 1 m et un grand diamètre de 3 m. Un champ magnétique toroïdal d'environ 5 teslas (T) est établi à l'intérieur de cette chambre (champ dont l'intensité est de 100 000 fois celle du champ magnétique terrestre). Un courant longitudinal de plusieurs millions d'ampères (A) est induit dans le plasma. Les lignes du champ magnétique ainsi créées sont des spirales internes au tore et confinent le plasma. Après les résultats prometteurs de plusieurs petits tokamaks, des projets de construction de grandes installations (le TFTR de l'université de Princeton aux États-Unis, le JET européen de Culham au Royaume-Uni, le JT-60 de Naka au Japon) sont lancés au milieu des années 1970. Dans le tokamak, le chauffage du plasma est obtenu par l'effet Joule dû au très important courant toroïdal. L'ajout d'un chauffage complémentaire dans ces nouvelles grandes installations (par exemple par injection d'ondes hautes fréquences comme dans le Tore Supra de Cadarache en France) doit permettre d'atteindre les conditions d'ignition. 4 FUSION PAR CONFINEMENT INERTIEL Une autre voie possible vers l'énergie de fusion est celle du confinement inertiel. Suivant cette technique, le combustible, tritium ou deutérium, est contenu dans une minuscule pastille qui est bombardée de toutes parts par un rayon laser pulsé. Cela provoque une implosion de la pastille en déclenchant une réaction thermonucléaire avec ignition du combustible. Plusieurs laboratoires étudient actuellement cette technique, en particulier le Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), le laboratoire de recherche du département de l'Énergie situé en Californie (États-Unis), qui utilise l'un des lasers les puissants du monde, le laser NIF (National Ignition Facility). Ce dernier est le principal concurrent du Laser Mégajoule (LMJ), de technologies voisines, en construction sur le site du Commissariat à l'énergie atomique (CEA) de Bordeaux, en France (phase d'exploitation prévue à partir de 2010). Les progrès de la recherche sur la fusion par confinement magnétique ou inertiel sont prometteurs, mais le développement de systèmes qui produisent plus d'énergie qu'ils n'en consomment prendra encore probablement des décennies, d'autant que la recherche est coûteuse. 5 BILAN ET PERSPECTIVES Les progrès réalisés avec les grands tokamaks depuis le début des années 1990 sont considérables. En 1991, pour la première fois, une quantité significative d'énergie, environ 1,7 MW (million de watts), est produite par fusion nucléaire contrôlée au JET européen (Joint European Torus), situé à Culham au Royaume-Uni. En décembre 1993, des chercheurs à l'université de Princeton réalisent une réaction de fusion contrôlée en obtenant 5,6 millions de watts avec leur réacteur d'essai TFTR . Puis le record est de nouveau à l'ordre du jour au JET de Culham qui produit 16 MW mais pendant une seconde seulement. En décembre 2003, une équipe du centre de recherche nucléaire de Cadarache en France (réacteur expérimental Tore Supra) parvient à maîtriser un plasma pendant 6,5 min, en injectant et en extrayant en continu 1 000 MJ (mégajoules) d'énergie thermique (soit environ 3 MW). Par ailleurs, en juin 2004, une équipe du grand tokamak JT-60 de l'Institut de recherche sur l'énergie atomique japonais JAERI (Japan Atomic Energy Research Institute) à Naka, est également parvenue à maîtriser pendant 24 secondes un plasma de très haute pression, voisine de celle qu'il faudra maîtriser au sein du futur réacteur expérimental ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) de Cadarache (Bouches-du-Rhône, France). Ce projet international -- qui réunit l'Union européenne, la Russie, le Japon, la Chine, la Corée du Sud et les États-Unis -- a pour ambition d'atteindre l'ignition (réactions de fusion autoentretenues) et de produire 500 MW pendant 400 secondes. Toutefois, la production d'électricité à partir d'énergie thermonucléaire n'est envisagée qu'à l'horizon de la fin du XXIe siècle. Ainsi, l'énergie thermonucléaire constitue l'un des grands défis scientifiques de ce siècle, car si l'on parvenait à provoquer de façon viable des réactions de fusion thermonucléaire contrôlées, elles constitueraient une source d'énergie pratiquement inépuisable. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.