En physique, la fusion nucléaire (on parle également de réaction thermo-nucléaire) est un processus où deux noyaux atomiques s'assemblent pour former un noyau plus gros. Cette fusion dégage une énorme quantité d'énergie provenant du défaut de masse (voir plus bas) et est à l'œuvre dans le Soleil et toutes les étoiles de notre univers.

Cette énergie est due à l'énergie de liaison au sein de l'atome, elle est beaucoup plus important que celle qui lie les éléctrons au noyau.

Table of contents

1 Noyaux légers et lourds 2 Utilisation du défaut de masse 3 Réactions de fusion 4 Plasmas de fusion 5 Analyse de la réaction Deutérium + Tritium

Noyaux légers et lourds

N'importe quels noyaux peuvent fusionner tant qu'on leur fournit suffisamment d'énergie.

Lorsque de petits noyaux fusionnent, le noyau résultant comporte trop de neutrons et est instable, un (des) neutron(s) est(sont) alors éjectés avec une forte énergie. Dans le cas de petits noyaux, la réaction de fusions produit plus d'énergie que celle utilisée pour les fusionner. La réaction est donc exothermique et forme une chaine qui s'auto-entretien avec un gain positif d'énergie.

A l'opposée, dans le cas de la fusion de gros noyaux, le noyau résultant comporte trop peu de neutron et se sépare (fission nucléaire).

Utilisation du défaut de masse

Jusqu'au Fer 56, l'énergie de liaison croît (en valeur absolue). La fusion de deux éléments légers (e.g. hydrogène, hélium) produira donc un dégagement d'énergie, tandis que chez les éléments lourds (e.g. uranium, plutonium) seule la fission nucléaire dégage de l'énergie (cette propriété est mise en œuvre dans les centrales nucléaires.

Réactions de fusion

Bien que chargés positivement et se repoussant d'après la loi de Coulomb, deux noyaux peuvent se percuter et la collision peut entraîner une réaction de fusion nucléaire (si les noyaux se rapprochent à une distance inférieure ou égale à leur diamètre).

Ils forment alors un noyau plus lourd, en même temps qu'ils éjectent un proton ou un neutron. La masse des constituants à la fin de la réaction est plus faible : l'énergie excédentaire est transmise à la particule émise sous forme d'énergie cinétique.

Les réactions de fusion qui dégagent le plus d'énergie sont celles qui impliquent les noyaux les plus légers. Ainsi les noyaux de deutérium (un proton et un neutron) et de tritium (un proton et deux neutrons) sont impliqués dans les réactions suivantes:

• Deutérium + Deutérium -> Hélium3 + neutron

• Deutérium + Deutérium -> Tritium + proton

• Deutérium + Tritium -> Hélium4 + neutron

• Deutérium + Hélium3 -> Hélium4 + proton

Plasmas de fusion

Il s'agit d'un état particulier de la matière dans lequel les atomes ou molécules forment un gaz ionisé.

Un ou plusieurs électrons du nuage électronique qui entoure chaque noyau ont été arrachés laissant en présence des ions chargés positivement et des électrons libres, l'ensemble étant neutre électriquement.

Il y a une grande agitation thermique des ions et des électrons, qui produit de nombreuses collisions entre les particules. Pour que ces collisions soient suffisamment violentes et entraînent une fusion, trois grandeurs interviennent :

1. la température T ,
2. la densité N ,
3. le temps de confinement tau.

Analyse de la réaction Deutérium + Tritium

L'énergie de liaison des constituants provient de la force forte, l'une des quatre forces fondamentales de l'univers.

Or l'investissement énergétique à fournir pour rompre cette liaison est proportionnel au produit des charges électriques des deux noyaux en présence. C'est pourquoi on a choisi le deutérium et le tritium, deux isotopes lourds de l'hydrogène, où ce produit 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 libérée est alors de 17,6 MeV répartie pour 80% dans les neutrons émis et pour 20% dans l'hélium4 produit.

Mais l'énergie nécessaire pour atteindre l'auto-entretien et le bon rendement de la réaction se situe vers les 10 keV soit 100 millions de degrés.