La fusion nucléaire : La science derrière la transformation de l'eau en électricité

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Mis à jour le: 03 Mar 2021

T’es-tu déjà demandé pourquoi le soleil brille ? Pourrions-nous utiliser le même mécanisme pour produire de l’énergie ici sur Terre ? La réponse à ces deux questions est la fusion nucléaire !

Image of Terrou admirant le soleil — Terrou admirant le soleil

Qu’est-ce que la fusion nucléaire ?

Dans les chapitres précédents, nous avons discuté de la fission nucléaire - diviser un grand atome en plusieurs plus petits et libérer de l’énergie. La fusion nucléaire est le contraire. C’est prendre deux atomes plus petits et les unir en un .

Pourquoi la fusion serait une grande source d’énergie

Si fractionner des atomes libère de l’énergie, comment assembler des atomes peut également libérer de l’énergie ?

Fractionner des atomes (fission) utlise des éléments lourds (éléments qui ont beaucoup de protons et de neutrons) tandis qu’unir des atomes (fusion) utilise des éléments très légers . Pourquoi ? Parce que, pour des éléments plus légers que le fer (26 protons), la fusion libère de l’énergie, et la fission consomme de l’énergie. Pour des éléments plus lourds que le fer, c’est l’inverse .

Image of Potentiel de fusion/fission — Potentiel de fusion/fission

Donc, pour les gros atomes comme l’uranium, nous obtenons de l’énergie à partir d’une fission, mais nous avons besoin de beaucoup d’énergie pour fusionner les atomes ensemble. En revanche, assembler des éléments plus légers nous donne en fait de l’énergie !

Comment fonctionne la fusion ?

Tu pourrais essayer de fusionner deux éléments quelconques, mais nous allons parler de la réaction de fusion spécifique qui serait utilisée pour produire de l’électricité.

Nous ferons référence aux éléments par leur nombre de protons et de neutrons : « 1p2n » est un noyau avec 1 proton et 2 neutrons. Nous pouvons oublier les électrons pour le moment - tu verras pourquoi plus tard.

1p1n + 1p2n = 2p3n. MAIS : 2p3n est un isotope instable, ce qui signifie qu’il se désintègre naturellement rapidement et passe de 2p3n à 2p2n plus un neutron supplémentaire et de l’énergie .

Quels sont ces éléments ? 1p0n est l’hydrogène « H ». 1p1n et 1p2n, qui sont utilisés pour la fusion, sont des isotopes de l’hydrogène appelés deutérium et tritium (ils ont le même nombre de protons, mais un nombre de neutrons différent) :

Image of Les isotopes de l’hydrogène — Les isotopes de l’hydrogène

Qu’en est-il du résultat de cette réaction ? Ce serait mauvais si 2p2n était quelque chose de dangereux, comme les déchets nucléaires.

Heureusement, l’hélium n’est pas dangereux - c’est ce qui est utilisé pour remplir des ballons. Maintenant que nous connaissons les éléments concernés, regardons à nouveau la réaction :

Image of La réaction de fusion complète du deutérium-tritium — La réaction de fusion complète du deutérium-tritium

Pourquoi est-ce que ceci libère de l’énergie ?

Aussi bizarre que cela puisse paraître, l’hélium plus un neutron a moins de masse que le deuterium plus le tritium . Oui, truement ! En recombinant le même nombre de protons et de neutrons dans une configuration différente, le noyau entier perd de la masse . Pourquoi ?

La masse perdue est convertie en énergie, qui est libérée sous forme de chaleur et de rayonnement électromagnétique. La célèbre équation d’Einstein E = mc² est à l’œuvre ici : nous convertissons de la masse en énergie.

Alors pourquoi n’utilisons-nous pas la fusion pour faire de l’énergie ?

Dans le soleil, la fusion est due à la pression intense causée par la gravité au centre du soleil. Il y fait jusqu’à 15 000 000 °C !

La bonne nouvelle, c’est que nous pouvons créer la fusion sur Terre. La mauvaise nouvelle : c’est truement difficile.

À ce jour, tous les réacteurs de fusion consomment plus d’énergie qu’ils n’en produisent . C’est bien sûr un problème : une centrale qui consomme plus d’énergie qu’elle n’en produit est inutile.

Le rapport entre l’énergie qui entre et celle qui sort est souvent appelé « Q ». La fusion nucléaire a une longue histoire, mais, jusqu’à présent, nous n’avons pas réussi à faire en sorte que Q soit égal à 1 :

Image of La performance des réacteurs de fusion — La performance des réacteurs de fusion

Comme tu peux le voir dans ce graphique, nous sommes devenus très proches de Q=1, mais nous avons ensuite arrêté de progresser - pourquoi ? Dans le chapitre suivant, nous allons explorer ce que signifie le graphique ci-dessus, découvrir ce qui a empêché d’autres progrès (jusqu’à présent), et discuter des travaux récents qui visent à atteindre Q=10 et plus.

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