FUSION NUCLéAIRE

-fusion nucléaire

PRINCIPE de la FUSION NUCLÉAIRE

Les noyaux des corps de faible numéro atomique (Z < 60) ont des énergies de liaison qui vont en croissant, en fonction de Z. Donc on récupère de l'énergie quand on les transmute, en créant des corps selon un mode allant vers une augmentation de Z dans la classification de Mendéléiev.

Cette énergie est exprimée lors du phénomène de fusion de noyaux atomiques légers (à des températures > 108 degrés)

L'excédent d'énergie provient de la perte de masse entre les éléments initiaux et les éléments finaux.

 

FUSIONS NUCLÉAIRE dans les ETOILES

Dans les étoiles >>> la fusion est naturelle, selon 3 cycles :

-cycle de l’hydrogène (ou de Bethe)  c'est le phénomène de fusion des noyaux de H² qui, dans des réactions en série, produisent des noyaux d’hélium

Les réactions sont du genre 4 1H + électrons >>>> 4He + 2 neutrinos gamma

Divers corps légers (Be, Li, B, C, N) sont formés dans les réactions intermédiaires et jouent le rôle de catalyseurs

-cycles C.N.O (carbone-azote-oxygène)

136C >>>donnant 147N + p + γ >>> puis donnant  158O + p >>> puis donnant 157N + e+ + n >>> puis donnant :

a))soit 168O + p + γ >>> qui donne 179F + p + γ >>> et qui donne 178O + e+ + n >>> redonnant 147N + p + α pour revenir au départ

b))soit 126C + p + α >>> donnant 137N + p + γ >>> redonnant 136C + e+ + n pour revenir au point de départ

Tout ceci avec émissions énergétiques

-cycle C.N (carbone-azote)

126C + p donnant >>> 137N + β+ donnant >>> 136C + e+ + n qui, avec + p >> donne 158O + β+ >>> donnant 157N qui, avec + p >>> donne 126C + 42He

La récupération de 126C en fin de cycle, permet de recommencer le cycle (mais nécessite une température > 1010 K)

 

FUSION NUCLÉAIRE sur TERRE

Elle est testée d'une part en labo (Tokamak, Iter)

D'autre part, elle est provoquée dans des bombes thermonucléaires H (à hydrogène), servant à l'amorçage de bombe à fission, où l'énergie est de l'ordre de 1017 Joules)

Pour ITER, les 2 réactions rentablement plausibles pour domestiquer la fusion avec grosse production d’énergie sont réalisables avec les plus légers atomes (isotopes d’hydrogène) :

 

-l'une à 108 degrés K  >>>

 21H + 21H  donnant soit 32He + n + 3,3 MeV, soit 31He + p + 4,1 MeV

 

-l'autre à 4.107degrés K >>>

21H + 31H  donnant 42He + n + 17,6 MeV 

Les symboles ci-dessus signifient: (1 Mev # 1,6.10-15 J) --- (21H et 31H = deutérium et tritium) --- (He = hélium) ---(n = neutron) --- (p = proton)

En fournissant 108 degrés K (soit # 103 eV), on peut viser une récupération de # 105 eV (mais, pertes déduites, on ne peut guère avoir mieux que # 104 eV, soit un facteur 10 , ce qui est encore très rentable)

Production des combustibles: il y a environ 1 dix millième de deutérium dans tous les composés naturels d’hydrogène, mais infiniment moins de tritium et le 32He représente environ 10-4 du He naturel

 

-autres réactions possibles de fusion (moins fastes)

-avec les plus légers des corps, on peut évoquer les fusions suivantes

21H + 32He >>> 42He + p + 18,3 MeV 21H + 21H >>> 42He + γ  + 23,8 MeV

21H + 11H >>> 32He + γ + 5,4 MeV 11H + 32He >>> 42He + e+ + 18,7 MeV

11H + 137N >>> 136C + e+ + 1,2 MeV 11H + 147N >>> 158O + γ + 7,3 MeV

11H + 157N >>> 126C + 42He + 4,9 MeV 11H + 126C donnant 137N + γ + 1,9 MeV

115B + p donnant 3 fois 42He + 8,7 MeV

 

ÉQUATION de la FUSION (CRITÈRE de LAWSON)

Pour que la réaction soit rentable énergétiquement, il faut

h*v.t - 12 k.T / (Q.E)(y1+ 1/ y2) > 0

où h*v(particules/m3)= densité volumique de particules à traiter

t(s)= temps de la réaction

k(J/K)= constante de Boltzmann (1,3806503. 10-23 J / K)

T(K)= température de réaction

Q(m3/s)= débit volumique de particules

E(J)= énergie produite par la réaction

y1(nombre)= rapport (puissance d’amorçage) / puissance produite

y2(nombre)= rapport (puissance produite - puissance d’amorçage) / puissance d’amorçage

 

Le seuil de rentabilité (auto-entretien de l’échauffement de la réaction) -dénommé ignition -implique que l’équation ci-dessus soit > 0

Il faut donc une forte densité de particules h*vet un long temps t de réaction (dit temps de confinement)

Les techniques actuelles sont limitées cependant à environ

h*v= 1021 particules par m3 pendant quelques secondes (pour une température T

de 108 Kelvin)

Les lasers utilisés ont une puissance maximale de 1015 W(1 pétawatt)

La pression qu’ils exercent sur le plasma (= P / S.c) peut donc atteindre 104 MPa

Les coefficients y1et y2(de l'équation de Lawson) proviennent des pertes d’énergie dus à : impuretés chimiques, pertes de particules, conduction thermique, freinage (bremsstrahlung)

 

La puissance spécifique (ou volumique) d’une réaction de fusion est:

P* = h*v1.h*v2.Se.v.Ef

P*(W/m3)= puissance spécifique (volumique) de la réaction de fusion

h*v1 et h*v2(part/m3)= densités volumiques de particules des composants 1 et 2 de la réaction

Se(m²)= section efficace

v(m/s)= vitesse moyenne

Ef(J)= énergie nette de réaction

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