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La fusion, une énergie propre ?

Dossier - Iter : la fusion nucléaire par confinement magnétique
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L'humanité est confrontée à un défi grandissant : celui de la demande énergétique. Jusqu'à présent, la majorité de notre énergie est produite à partir de réserves fossiles : charbon, pétrole, gaz. Tôt ou tard, ces réserves viendront à disparaître. Il est donc nécessaire de recourir à des sources d'énergies non-fossiles.

  
DossiersIter : la fusion nucléaire par confinement magnétique
 
Collision de particules. © General-Fmv, Shutterstock

La réaction de fusion la plus facile à réaliser sur Terre est celle entre deux isotopes de l'hydrogène, le deutérium (D ou 2H) et de tritium (T ou 3H) :

D + T → 4He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV)

Le deutérium est un isotope stable de l'hydrogène, dont le noyau est composé d'un proton et d'un neutron. On le trouve en abondance sur terre : un litre d'eau contient en moyenne 31 mg de deutérium.

Le noyau du tritium est quant à lui composé d'un proton et de deux neutrons. C'est un isotope radioactif de l'hydrogène et sa demi-vie est de 12,3 ans. Il se désintègre en hélium-3 en émettant un électron :

T → 3He + e- + ve+ 18,7 keV

Les quantités de tritium disponibles dans la nature sont très faibles pour des applications techniques. Il est donc nécessaire de produire ce tritium. Pour écarter les risques liés au transport de ressources radioactives, on souhaite utiliser le tritium comme un produit intermédiaire de la réaction nucléaire. En effet, en utilisant les neutrons de haute énergie créés lors de la réaction D-T, il est possible de créer du tritium à partir de la réaction avec le Lithium-6 (Li) :

6Li + n → 4He (2,05 MeV) + T (2,73 MeV)

Au final, les consommables sont donc le deutérium et le lithium. Le lithium, tout comme le deutérium est disponible sur Terre en relative abondance. Bien que le 6Li soit l'isotope le moins fréquent (7.5%), les ressources relativement importantes de lithium sont suffisantes pour assurer plusieurs milliers d'années de combustible 6.

Pour déterminer l'énergie susceptible d'être libérée lors de cette fusion, on peut calculer le défaut de masse de la réaction comme étant la différence entre les masses des réactifs avec celles des produits finaux. Par exemple, pour la réaction Deuterium-Tritium :

La relation d'équivalence entre masse et énergie 

nous permet de déterminer l'énergie correspondante : E=17.6 MeV. Cette énergie est relâchée sous forme d'énergie cinétique dans les produits de la réaction (noyau d'hélium et neutron). Cette valeur, ramenée au nombre de nucléons, soit 3.5 MeV par nucléon, est environ 4 fois plus grande que les 0.85 MeV par nucléons dégagés lors de la fission de l'uranium 235.

D'autres réactions de fusion pourraient également être envisagées dans le futur, ne produisant pas de neutron ou produisant des neutrons de faible énergie. On peut citer par exemple :

D + D → 3He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV)
D + D → T (1.01 MeV) + H (3.02 MeV)
D + 3He → 4He (3.6 MeV) + H (14.7 MeV)

D'un point de vue écologique et pratique, ces réactions offrent de nombreux avantages : elles éliminent le besoin de tritium et limitent l'activation des matériaux d'un réacteur par les neutrons. Toutefois, les conditions d'obtention de ces réactions de façon entretenue sont loin d'être atteintes. Les températures requises pour amorcer ces réactions sont supérieures d'un à plusieurs ordres de grandeur  par rapport à la réaction deutérium-tritium (D-T). C'est pourquoi les recherches actuelles se focalisent sur l'obtention de réactions D-T.