Physique de pointe
Fusion nucléaire
La fusion associe des noyaux légers pour former des produits plus lourds. Un défaut de masse positif peut libérer de l'énergie, et le taux dépend fortement de la température et des sections efficaces nucléaires.
Deux noyaux positifs doivent s'approcher assez pour que l'interaction forte l'emporte sur la répulsion coulombienne. La haute température peuple la queue énergétique de la distribution des vitesses ; l'effet tunnel quantique compte aussi, si bien que chaque paire réactive n'a pas à franchir classiquement la barrière de Coulomb.
Définition: Valeur Q de la réaction
Si Q>0, la masse au repos totale des produits est inférieure à celle des réactifs ; la différence devient énergie cinétique des produits et, selon la réaction, rayonnement. Un Q positif ne garantit pas à lui seul qu'un dispositif fournisse plus d'énergie utile qu'il n'en consomme.
Température et confinement
Dans un plasma de fusion, la densité n, la température T et le temps de confinement énergétique τ_E déterminent ensemble les conditions d'allumage. Le critère de Lawson s'exprime par nτ_E (ou nTτ_E), avec un seuil dépendant du combustible et de la température. Pertes thermiques, rayonnement et impuretés augmentent la puissance nécessaire.
Exemple: Énergie de réaction
Pour D + T → ⁴He + n, Q vaut environ 17,6 MeV. Si une réaction a lieu, quelle est l'énergie cinétique totale approximative des deux produits dans le référentiel du centre de masse ?
Solution
Environ 17,6 MeV par conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement, si l'énergie cinétique relative initiale est faible devant Q. Le partage est inégal : le neutron reçoit environ 14,1 MeV et la particule alpha 3,5 MeV.
Un bilan énergétique intégré doit distinguer la puissance de fusion de la puissance externe fournie au plasma. Dans un mélange deutérium-tritium, les particules alpha chargées peuvent autochauffer le plasma si leur énergie reste confinée assez longtemps ; les neutrons neutres échappent au confinement magnétique et déposent leur énergie dans une couverture. Le bilan dépend aussi du rayonnement de freinage, du transport turbulent, des échanges avec la paroi et du rendement de conversion en électricité. Le critère de Lawson est donc nécessaire dans un modèle idéalisé, sans garantir un gain net pour une centrale. La recherche actuelle doit coupler cinétique des particules, stabilité MHD, interaction plasma-matériau et cycle du tritium.
Une autre contrainte de conception concerne les flux thermiques et particulaires sur la paroi et la couverture. Les neutrons énergétiques déplacent des atomes, produisent de l'hélium par réactions nucléaires et modifient les propriétés du matériau ; la couverture doit aussi évacuer la chaleur et produire du tritium. Les prévisions de durée de vie associent irradiation expérimentale, transport neutronique et données matériaux, en explicitant les incertitudes d'extrapolation.
Vérification rapide
Que signifie Q>0 pour une réaction de fusion ?
Pourquoi la température du plasma ne fixe-t-elle pas une énergie de collision unique ?
Références
- T. J. M. Boyd, J. J. Sanderson (2003). The Physics of Plasmas
- A. A. Harms et al. (2000). Principles of Fusion Energy