FORMULES de PHYSIQUE
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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.
Le but est que l'énergie cinétique des particules puisse vaincre leur énergie coulombienne électrique
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 sous trois formes :
-d'une part elle est provoquée dans des bombes thermonucléaires H (à hydrogène), sous la forme d'un amorçage nécessaire à la bombe atomique à fission, avec une énergie de l'ordre de 1017 Joules)
-d'autre part sous une forme d'énergie magnétique d'initialisation (symbolisés FCM ou MCF en anglais) Exemple: les tokamaks
-et enfin par des systèmes de confinement dits inertiels (symbolisés FCI ou ICF en anglais) où l'on provoque le (très court) allumage par laser
Exemple: Iter, avec les plus légers atomes (isotopes d’hydrogène) où 2 versions sont envisagées >>
-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
Dans les trois cas, on a (densité x temps = 10-14 s/cm3)
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*v et 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