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28 août 2010 6 28 /08 /août /2010 22:24

Mise à jour 3/6/2011 : ajout des données sur les ressources exploitables du lithium, correction qui s'ensuit sur les attraits de la fusion nucléaire.

Mise à jour 9/12/2011 : correction des données sur le lithium.

 

La fusion nucléaire, contrairement à la fission, est une réaction où deux noyaux atomiques se réunissent. La fission nucléaire, sur laquelle est basée la quasi-totalité des réacteurs nucléaires actuels, voit au contraire un noyau atomique se scinder en deux.
De la fusion, on ne sait guère faire que des explosions. Les bombes H (H comme "hydrogène"), basées sur le phénomène de fusion nucléaire, sont d'ailleurs les plus destructrices de toutes, certaines personnes affirmant qu'elle pourraient détruire une zone de la taille de l'Ile de France là où une bombe à fission comparable à celle d'Hiroshima ne détruirait "que" le centre-ville de Paris...
Mais comme souvent en énergétique, il existe une autre facette de la réaction de fusion : la fusion contrôlée, dont le but est de fournir de l'électricité à la population pour divers besoins comme le chauffage, l'affranchissement des corvées ménagères, l'accès à l'information...
Cette fusion contrôlée n'existe pas à l'heure actuelle. C'est pourquoi il faut bien séparer cet article des catégories de sources d'énergie déjà existantes, comme le pétrole ou l'énergie solaire. Si j'en parle quand même ici, c'est parce que c'est un sujet incoutournable du fait des efforts de recherche qui y sont faits.

On fait tenir beaucoup de promesses à la fusion nucléaire contrôlée, et il faut dire aussi qu'elle a des arguments à faire valoir. Voyons donc pourquoi certaines personnes s'y intéressent autant...

I Les attraits de la fusion nucléaire
II Les dispositifs utilisés
III Discussion sur l'intérêt des recherches sur la fusion contrôlée

I Les attraits de la fusion nucléaire

Les ressources utilisées sont abondantes : ce sont des isotopes de l'hydrogène, le deutérium et le tritium. L'hydrogène habituel est l'hydrogène 1.

Pour ce qui est du noyau :

Hydrogène 1 : 1 proton
Hydrogène 2 (ou Deutérium) : 1 proton et 1 neutron
Hydrogène 3 (ou Tritium) : 1 proton et 2 neutrons

Dans l'eau des océans, il y a environ 1% des atomes d'hydrogène qui sont sous la forme de Deutérium, pour environ 99% d'hydrogène 1. Le tritium est quant à lui quasiment introuvable dans la nature...
Mais on sait créer du tritium à partir du lithium. Le problème, c'est que même si le tritium est relativement abondant sur la surface de la Terre, il n'existe sous forme pure, et exploitable, que très minoritairement. Les chimistes vont avoir du pain sur la plance pour trouver comment exploiter l'ion Li+, la forme la plus courante du tritium. Qu'est-ce qu'un ion Li+ ? C'est un atome de lithium, mais avec un électron en moins.

 

Rectification : seul le noyau du lithium compte ici, donc ça marche aussi avec du lithium +. :-)

 

(Pour ceux qui savent pas, dans les atomes comme ceux du lithium, on a un noyau avec des protons et des neutrons, et des électrons qui bougent autour, le tout ayant une forme plutôt ronde. Si vous vous sentez un peu dépassé, n'hésitez pas à consulter l'article  Notions physiques de base (ça peut aider...) qui devrait éclairer votre lanterne.)


Le procédé ne rejette que de l'hélium et du tritium, il n'y a donc donc pas trop de quoi s'inquiéter niveau pollution.

Car le tritium, bien que radioactif, ne l'est que faiblement. Il s'élimine assez rapidement, par désintégration beta- ,  puisque sa durée de demi-vie est de 12,3 ans. Et nos connaissances actuelles sur sa toxicité laissent penser qu'il faudrait de très hautes doses pour qu'il devienne un danger significatif pour la biosphère.

Aussi, les réactions de fusion nucléaire mettent en jeu de très hautes énergies, encore plus importantes que la fission : il serait donc possible de subvenir aux besoins nécessaires avec très peu de combustible, sous l'hypothèse d'une population humaine de taille raisonnable (100 milliards d'êtres humains il est clair que ce serait ingérable...).
Cet aspect est très intéressant pour le voyage spatial où un combustible peu encombrant, léger et très productif se révèle très précieux...

En outre, les dispositifs envisagés pour l'exploitation de l'énergie de masse du combustible sont beaucoup plus sûrs que ceux actuellement utilisés pour la fission.

En résumé, le "Graal" de la fusion nucléaire se présente comme une source d'énergie

-sûre
-abondante

-propre
-efficace
 

 

J'avais dit dans le passé que cette source d'énergie électrique était viable sur le long terme, mais c'est faux puisqu'elle repose sur l'exploitation du lithium, qui est en quantités exploitables trop limitées. A l'heure actuelle, la fusion nucléaire ne promet pas de régler le problème des ressources. Cela dit, elle a des attraits, notamment par rapport à la fission nucléaire, qui méritent de ne pas être négligés.

II Les méthodes utilisés

1) La fusion par confinement inertiel
2) La fusion par confinement magnétique

1) La fusion par confinement inertiel

1- Avec les lasers

Le problème quand on veut déclencher une réaction de fusion nucléaire, c'est qu'il faut fournir beaucoup d'énergie au combustible. Pourquoi ?

Un petit schéma pour mieux comprendre :

 

energie pot fusion ker

Imaginons un monde où il y a un noyau de tritium et un noyau de deutérium. Mais vraiment que ça, ils sont seuls au monde (les pauvres...).
On se met à la place du noyau de deutérium. Il subit des forces de la part du noyau de tritium. La somme de ces forces peut se représenter par une énergie qu'on appelle énergie potentielle. J'ai ici représenté sur le graphique, de façon très schématique, l'énergie potentielle de ce noyau de deutérium. Et il se trouve que l'énergie potentielle a une propriété très intéressante : plus elle est basse, plus l'état du système est stable.
Pour vous faire un ordre d'idée, imaginez une bille qui roule sur la courbe... Oui je sais c'est chouette la mécanique ^_^

Sur le graphique, r représente la distance entre les centres des deux noyaux. E pot représente bien sûr l'énergie potentielle.

Notre but ici est d'arriver dans la zone stable autour de r0, et pour cela, on doit passer une barrière de potentiel qui culmine en r1. Cette barrière représente la répulsion électrostatique : les noyaux, de charge positive, se repoussent...
Une fois cette barrière passée, c'est l'interaction forte, ici attractive, qui l'emporte. L'énergie potentielle diminue alors beaucoup, et comme l'énergie se conserve (voir l'article  Un apéritif de thermodynamique : repas conservatif pour l'histoire de la "boîte de conserve"), il y a création d'une autre forme d'énergie, ici, de l'énergie cinétique : les particules vont plus vite.
Là où il faut fournir de l'énergie au combustible, c'est lorsqu'il faut passer au delà de la barrière de potentiel.

Mais d'ailleurs je me pose une question... Quand on entend parler de cette histoire d'énergie à fournir, les gens font toujours comme s'il n'y avait que des noyaux... Alors que ce n'est pas le cas ! Il y a bien des électrons dans le mélange, et leur action n'est pas négligeable, à moins qu'il n'y en ait pas, mais dans ce cas là il faudrait le dire...

Attention, ce schéma ne fait que donner un ordre d'idée, j'ai pas trouvé de schéma quantitatif digne de ce nom sur le web. A mon avis, le puits est bien plus profond que ça...

La réaction présentée sur le schéma avec le texte est exothermique : elle libère plus d'énergie cinétique qu'elle n'en requiert. Si c'était pas le cas... ben ce serait pas vraiment une source d'énergie. D'ailleurs c'est un peu pour ça qu'on s'intéresse autant aux réactifs légers : les réactions de fusion nucléaire qu'on peut faire avec eux ont tendance à fournir de l'énergie, alors que les réactifs lourds ont une furieuse tendance à manger de l'énergie plutôt que d'en donner, il paraît même qu'après le fer il n'y a plus aucune réaction exothermique.

Le problème auquel on fait souvent face, ce sont les pertes qui ont lieu lorsqu'il s'agit de donner de l'énergie cinétique au combustible. Ces pertes sont d'habitude si importantes qu'au final, on dépense plus d'énergie qu'on n'en récolte... -_- Ballot.

Mais voyons voir comment on fait pour la passer, cette répulsion électrostatique.

Pour y arriver, la méthode courante est d'élever l'énergie cinétique moyenne des particules, à savoir : la température.

Seulement, les températures exigées sont extrêmement élevées, de l'ordre de plusieurs millions de degrés... A une telle température, les électrons ne sont plus liés aux noyaux. Le combustible devient alors un plasma, c'est-à-dire un gaz avec un certain nombre d'électrons libres qui ont été arrachés à leur noyau. Or ces plasmas sont très instables et turbulents : on les modélise en pratique de façon statistique.

Il existe un critère, nommé critère de Lawson, qui indique que pour avoir une réaction de fusion rentable, il faut

-dépasser les 200 millions de degrés
-que le produit de la densité du plasma par sa durée de vie soit supérieur à un nombre qui dépend de la réaction de fusion mise en jeu, des rendements des différentes étapes du procédé, et de la température.

On n'est toujours pas arrivés à obtenir des réactions de fusion rentables.

Alors qu'on parle beaucoup des tokamaks et du projet ITER, il existe une autre voie dans la recherche du "Graal" de la fusion nucléaire : les lasers.

C'est la voie utilisée par le NIF, National Ignition Facility, aux Etats-Unis, et le LMJ, Laser Megajoule, à Bordeaux. Le NIF devrait entrer en service cette année. L'idée de départ des deux laboratoires était de faire des expériences qui permettraient de construire des modélisations numériques d'explosion d'une bombe H, les essais réels étant aujourd'hui interdits. C'est pour cette raison, du moins en partie, que l'on dit que ce sont des recherches essentiellement militaires. En fait, le fait que ces recherches soient militaires ou non ne dépend pas vraiment du laboratoire ni du matériel, mais plutôt des gens qui travaillent dedans, et de ce qui les motive.

L'idée de la fusion par laser est d'utiliser des lasers à impulsions ultra brèves qui vont déposer, pendant une infime fraction de seconde, une grande quantité d'énergie, sur une cible de deutérium-tritium.


dt target

Cible de deutérium tritium

La surface de la cible, sphérique, s'échauffe et forme un plasma chaud de plusieurs dizaines de millions de degrés. Elle se retrouve éjectée vers l'extérieur, et par conservation de l'impulsion, la partie intérieure va se comprimer, sa densité va augmenter ainsi que sa température, de telle sorte que la fusion puisse avoir lieu à partir du coeur de la cible et se propager à l'extérieur de la cible.

 

fusion laser inside chamber    

La chambre de réaction du NIF vue de l'intérieur

 

exterieur chambre laser megajoule

Très similaire, la chambre de réaction du Laser Megajoule, vue de l'extérieur

Ces dispositifs par laser font face à un certain nombre de problèmes, dont un de taille, que partagent d'ailleurs les tokamaks...

2- Avec la technique du Z-pinch

Lors d'une fusion par confinement inertiel, les réactifs sont chauffés et comprimés. Avec la technique du Z-pinch, le combustible est placé dans une capsule qui se trouve au centre d'une cage de fils électriques. En faisant passer un courant électrique très intense (de l'ordre de plusieurs millions d'Ampères !), on arrive à provoquer un champ magnétique très fort.
Pour une raison que j'ignore, les fils vont se vaporiser sous forme de plasma. Peut-être ne sont-ils pas suffisamment conducteurs pour diminuer suffisamment l'échauffement dû à l'effet Joule ? Et que cet échauffement les fait passer à la forme de plasma ? En tout cas, ces fils solides deviennent des fils de plasma ; et le plasma conduit très très bien l'électricité...


Schéma de la cage de fils. En jaune, le courant électrique.

Une expérience de magnétisme connue se fait avec deux fils électriques dénudés, suspendus au dessus du sol et dont le courant circule dans le même sens. La force magnétique fait alors se rapprocher les fils.

Il faut voir les fils de plasma comme autant de fils électriques qui, sous l'effet de la force magnétique, vont se rapprocher les uns des autres très très vite, ce qui, dans la configuration cylindrique donnée par le schéma, va les ramener vers le centre, là où il y a la capsule.
Les électrons, de charge négative, et les cations, ions positifs, éjectés vers le centre, vont donner une partie de leur énergie sous forme de puissants rayons X. Ce sont ces rayons X qui vont comprimer et faire chauffer la cible au point de déclencher la réaction de fusion.

Ce procédé est notamment utilisé dans la Z-machine, aux Etats-Unis, où on a pu atteindre des températures de plus de 2 milliards de degrés ! Ce n'est toujours pas suffisant pour rendre la réaction bilan rentable, mais ça peut ouvrir des portes...

2) La fusion par confinement magnétique

Je n'ai trouvé jusqu'à présent aucun document sur le web où on raconte le scénario d'une telle réaction de fusion nucléaire. En fait, on parle peu de ce qu'il y a au début, les réactifs, et de ce qu'il y a à la fin, la récolte de l'énergie. Je serai probablement amené à mettre cet article à jour lorsque j'aurai de plus amples informations, ne soyez donc pas surpris si certaines question restent sans réponse, ce n'est pas pour autant qu'il ne faut pas les poser.

Dans ce type de méthode pour produire de l'électricité avec la fusion nucléaire, on fait chauffer un plasma de deutérium tritium (d'où il sort, je l'ignore) avec un courant électrique. Par ce que l'on appelle l'effet Joule, une partie de cette énergie électrique va être transformée en énergie cinétique microscopique : les particules sont plus agitées à petite échelle, la température du mélange augmente.
(D'ailleurs je me demande pourquoi on exprime pas la température en Joules, putain, raison de plus pour lire le livre de Boltzmann où on a une VRAIE définition de la température, enfin j'espère...)

Les efforts actuels de recherche portent surtout sur le confinement : on utilise des champs magnétiques pour diriger les particules de plasma électriquement chargées.

Cette méthode est celle utilisée par le projet ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, en Français "Réacteur thermonucléaire expérimental international"), où l'on utilise une grosse boîte en forme d'anneau pour faire chauffer le plasma tout en évitant qu'il parte au loin et nous échappe, ce qui serait une mauvaise chose...
ITER n'a pas la prétention de devenir le premier générateur d'électricité basé sur les réactions de fusion nucléaire, un dispositif suivant est prévu, et il ne sera pas la première centrale basée sur la fusion nucléaire.

III Discussion sur l'intérêt des recherches sur la fusion contrôlée

Il existe de multiples détails techniques dont je pourrais parler, un certain nombre de dilemmes aussi, mais je n'ai pas envie de répéter ce qui a déjà été dit, et je préfère donner mon apport personnel.

Les scientifiques qui travaillent sur la fusion contrôlée cumulent les échecs et traînent le fardeau de ceux qui ont claironné trop fort, trop vite, l'arrivée d'une technologie qui réglerait les problèmes liés à notre mode de production d'électricité actuel. La démission est tentante : un certain nombre de personnes affirment qu'il est impossible de fournir de l'électricité pour l'humanité sans pollution ni épuisement rapide des ressources avec les réactions de fusion nucléaire.
Mais les preuves d'une telle impossibilité, si elles existent, n'ont qu'à se faire entendre. Tant qu'on sait pas, il faut continuer à chercher.

Je crois qu'il faudrait chercher des choses nouvelles. Il semblerait que nombre de chercheurs sont dans le préjugé selon lequel les deux méthodes du confinement magnétique et du confinement inertiel sont les deux seules qui existent. Une chose est sûre, elles partagent le défaut de n'avoir aucun dispositif de récolte d'énergie bien au point.
Je donne donc quelques petites idées pour s'en sortir, je ne prétends pas qu'elles suffiront, mais je pense qu'il faut les dire :

-Utiliser des dispositifs beaucoup moins grossiers mais beaucoup plus précis. Un peu comme un canal guide l'eau qui coule, il faudrait guider les particules et leur énergie. Des études et dispositifs à l'échelle microscopique peuvent être de mise.
-Bien poser le problème. Quel est le but principal ? Quels objectifs nous permettraient d'atteindre l'objectif principal ? De quels matériaux disposons-nous ? De quelles connaissances ? Comment relier les deux bouts ? Quels sont les avantages et les défauts de telle ou telle étape, que ce soit la propreté, la pollution, la propreté différée (avec le recyclage), quels efforts sont à fournir, quels procédés industriels sont déjà bien rôdés et bien établis ?
-Ecrire le scénario complet de la fusion contrôlée, de l'extraction des réactifs à la réception de l'électricité chez les gens. Cela fait partie de ce que je viens de dire avant, à savoir bien poser son problème. Il est possible de procéder par couches successives, en partant d'un scénario qui donne les grandes lignes, et de combler les trous petit à petit.

Pour les problèmes liés à l'armée, il n'y a qu'à exiger sa disparition. En France, l'idée de la suppression totale du budget de l'armée a déjà été avancée, et il faudrait qu'elle fasse son chemin.

Il faut toutefois garder à l'esprit que les réserves de pétrole et d'uranium devraient être épuisées autour de 2050, ou alors très difficiles à extraire, ce qui a un coût, aussi bien en efforts qu'en argent.

Je pense qu'il faut laisser les chercheurs faire un peu ce qu'ils veulent. Que cela ne les autorise pas à vivre dans l'illusion et s'y accrocher. Du point de vue de la curiosité, les réactions de fusion nucléaire sont un sujet de recherche intéressant. Du point de vue de l'utilité, il faut avoir conscience que les problèmes liés au manque de ressources surgiront bien avant qu'on ait trouvé une solution basée sur la fusion, sans compter le nombre de gens qui n'ont toujours pas accès à l'électricité.

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