Introduction :
L'Energie, l'Homme en réclame toujours plus. Depuis les années 70 tout le monde a vu dans le nucléaire, la solution miracle à tous les miracles. Cette partie du nucléaire appelée fission sera peut-être révolue dans les décennies à venir remplacée par la fusion thermonucléaire, solution pour produire plus d'énergie.


Depuis toujours, la fusion thermonucléaire est pratiquement à l'origine de toutes énergie sur Terre puisque c'est d'elle que résulte l'énergie solaire. Une étoile commence à briller quand la matière en son cœur atteint sous l'effet des forces de gravitation des densités et des températures suffisantes pour déclencher des réactions de fusion libérant de l'énergie

Depuis l'explosion de la première bombe thermonucléaire en 1952 dans l'atoll d'Enivetok, des recherches incessantes sont menées en laboratoire pour tenter de maîtriser la réaction de fusion qui pourrait au sein d'un réacteur produire de l'électricité...

Le besoin de résultats rapides a conduit à laisser libre cours à l'imagination des chercheurs : toutes les idées étaient bonnes à essayer, pour le cas où l'une d'entre elles se serait révélée intéressante.

Aussi paradoxalement que cela puisse paraître la fusion, à l'œuvre dans le Soleil et dans les étoiles, fournit également à travers notre nourriture, les textiles végétaux ou animaux, le bois sous toutes ses formes, etc.. au moins 95 % de l'énergie nécessaire à notre vie.

A l'horizon 2050, est-ce que l'on pourra t-on reproduire sur Terre l'énergie des étoiles et produire ainsi de l'électricité avec un faible impact sur l'environnement ? Une grande partie de la communauté scientifique internationale pense que le pari est peut-être gagné. Mais l'avenir de ce programme ambitieux est soumis bien plus encore à d'autres projets à des décisions politiques


I. Le principe de la fusion

La masse d'un noyau est inférieure à la somme des masses des ses constituants pris isolément. Cette différence, le défaut de masse, correspond d'après la formule d'Einstein E = mC² à l'énergie de liaison qu'il faudrait fournir au noyau pour le dissocier en nucléons séparés.
On constate que la perte de masse correspond à l'énergie de liaison des nucléons qu'ils vont libérer en venant se coller les uns aux autres. Cette énergie de liaison n'est pas la même pour tous les noyaux. Nulle pour le proton isolé de l'hydrogène qui n'a personne avec qui s'accoupler, l'énergie par nucléon croit d'abord avec la masse du noyau passe par un maximum et décroît ensuite. (Voir courbe). Pour récupérer une partie de cette énergie de liaison : deux solutions :
- (Casser les noyaux les plus lourds qui sont les mieux liées pour libérer de l'énergie : Fission Les centrales actuelles utilisent l'énergie dégagée par la fission de l'atome d'uranium, une réaction qui met en jeu des noyaux lourds)
- La solution qui nous intéresse qui consiste à faire fusionner des noyaux légers entre eux pour créer un noyau plus lourd aux nucléons mieux liées entre eux, donc avec une libération d'énergie . La fusion consiste à fondre des isotopes de l'hydrogène (deutérium + tritium), les éléments les plus légers, pour obtenir de l' hélium et surtout de l'énergie.

Les réactions les plus étudiées en laboratoires sont les suivantes :
- Deutérium + Deutérium Hélium3 + neutron
- Deutérium + Deutérium Tritium + proton
- Deutérium + Helium3 Hélium4 + proton
(En effet les probabilités de réaction de fusion entre les noyaux d'hydrogène étaient bien trop faibles)
La réaction la plus fiable est cependant la réaction deutérium+tritium
Equation de la réaction de fusion deutérium et tritium (réaction étudiée en laboratoire)

21H + 31H 42He (hélium) + 10n

L'énergie de liaison des constituants provient de la force d'interaction nucléaire forte, l'une des quatre interactions fondamentales de l'univers. Or l'investissement énergétique pour rompre cette liaison est proportionnel au produit des charges électriques des deux noyaux en présence. C'est pourquoi le choix pour la fusion s'est porté sur le deutérium et le tritium, deux isotopes lourds de l'hydrogène pour lesquels ce produit vaut 1 vaut 1. L'énergie minimale à fournir pour obtenir une fusion est de 4 keV (équivalent à une température de 40 millions de degrés). L'énergie de liaison totale du premier terme de l'égalité est de 10.7 MeV ; celle du deuxième, 28,3Mev Energie libérée : 28,3 – 10.7 = 17, 6 Mev ,répartie pour 80 % dans les neutrons émis et pour 20% dans l'helium4 produit. (Mais l'énergie nécessaire pour atteindre le critère de Lawson et un rendement positif se situe vers 10 Kev soit 100 millions de degrés car une proportion suffisante de noyaux atteint la vitesse minimale nécessaire. Certes, compte tenu de la petitesse du MeV cela ne paraît pas beaucoup, mais cela fait tout de même pas loin de cent mille kilowatts/heure par gramme de mélange

La fusion dans les étoiles (Soleil)

Dans le Soleil, la réaction de fusion des atomes qui libèrent de l'énergie est sous forme de rayonnement ce qui explique que le Soleil brille. Cette réaction se déroule avec une densité de près de 150000 kg par mètre cube. Cela donne ainsi des idées sur Terre même si ce sera un modéle beaucoup plus petit. Lorqu'une étoile a épuisé l'hydrogène qu'elle possède, d'autres réactions prennent le relais pour former des éléments chimiques de plus en plus lourds. Ainsi les réactions de fusion au coeur des étoiles sont le point de départ de la formation de tous les éléments chimiques de l'Univers.La réaction simplifiée s'écrit
4 1H ---> 4 He + 2 0 e
1 2 1


Bien que chargés positivement et se repoussant d'après la loi de Coulomb, deux noyaux peuvent se percuter et leur collision entraîner une réaction de fusion nucléaire, si les noyaux s'interpénètrent. Pour cela, ils doivent se trouver dans un état d'agitation thermique très élevé pour que les collisions soient possibles ce qui correspond à un état de PLASMA. Il s'agit d'un état particulier de la matière dans lequel les atomes forment un gaz ionisé. En effet, un ou plusieurs électrons du nuage électronique qui entoure chaque noyau ont été arrachés, laissant des ions chargés positivement et des électrons libres, l'ensemble étant électriquement neutre.
Dans un plasma thermique, la grande agitation des ions et des électrons produit de nombreuses collisions entre les particules. Pour que ces collisions soient suffisamment violentes et entraînent une fusion mais aussi pour libérer plus d'énergie qu'il n'en faut pour maintenir la température du plasma et compenser les pertes par rayonnement, trois grandeurs interviennent :
1. La température T
2. La densité N ( nombre de noyaux par cm^3 )
3. Le temps de confinement t (tau)

Le critère de Lawson établit que le facteur Nt(tau) doit atteindre un certain seuil pour obtenir le « breakeven » où l'énergie libérée par la fusion est égale à l'énergie dépensée. L'ignition se produit ensuite à un stade beaucoup plus élevé de production d'énergie (impossible à créer aujourd'hui dans les réacteurs actuels). Il s'agit du seuil à partir duquel la réaction est capable de s'auto-entretenir. Pour la réaction deutérium + tritium, ce seuil est de 1014 s/cm3
Pour la recherche de la densité, on applique une loi qui veut que des courants électriques parallèles s'attirent. Or, les ions accélérés dans la même direction sont assimilables à des courants. Ils viennent se blottir les uns contre les autres dans un phénomène que l'on appelle striction. Ensuite, ils peuvent être confinés par un champ magnétique d'une bobine dont l'axe est parallèle au jet de ces courants.

Dans le soleil par exemple, la température atteint 15 millions de degrés Celsius pour réaliser la fusion de l'hydrogène en hélium. Dans certaines étoiles plus massives, des températures plus élevées permettent la fusion de noyaux plus lourds. Ces températures augmentent la probabilité que les noyaux franchissent la barrière de potentiel coulombien par effet tunnel. Lorsque de petits noyaux fusionnent, le noyau résultant se trouve dans un état instable et doit revenir à un état stable en émettant une particule. Une partie de l'énergie excédentaire est alors transmise à la particule émise sous forme d'énergie cinétique ; L'autre partie est libérée sous forme de chaleur (réaction exothermique) et forme ainsi une chaîne qui s'auto-entretient.


I. La maîtrise de la fusion nucléaire

A ) La fusion par confinement magnétique

Principe général : Il s'agit de piéger et de maintenir à très haute température un plasma. Ce plasma est confiné dans une boite immatérielle de forme torique appelée Tokamak.