Fusion nucléaire — Nuclear fusion
Cours bilingue (FR / EN) • Énergie des étoiles • Réacteurs du futur
FR — Niveau : lycée / début université

Qu'est-ce que la fusion nucléaire ?

La fusion nucléaire est le processus par lequel deux noyaux atomiques légers (comme l'hydrogène ou ses isotopes) s'unissent pour former un noyau plus lourd, libérant une énorme quantité d'énergie. C'est la réaction qui alimente les étoiles, dont notre Soleil.

Équation fondamentale (fusion deutérium-tritium) :
D + T → He⁴ + n + 17,6 MeV
Où D = deutérium (²H), T = tritium (³H), He⁴ = hélium, n = neutron
D ²H T ³H He ⁴He n 17,6 MeV

Conditions nécessaires pour la fusion

Pour surmonter la répulsion coulombienne entre noyaux positifs, il faut :

  1. Haute température (≥ 100 millions de Kelvin) pour donner aux noyaux assez d'énergie cinétique
  2. Haute densité pour augmenter la probabilité de collisions
  3. Confinement suffisant pour maintenir le plasma assez longtemps
Critère de Lawson : nτ ≥ 10²⁰ s·m⁻³ (pour la fusion D-T)
Où n = densité du plasma, τ = temps de confinement

Types de confinement

Méthode Principe Exemples
Confinement magnétique Plasma maintenu par des champs magnétiques intenses Tokamak (ITER), Stellarator
Confinement inertiel Implosion par lasers ou faisceaux de particules Laser Mégajoule (LMJ), National Ignition Facility (NIF)

Avantages et défis

Avantages : Ressources quasi-illimitées (deutérium dans l'eau de mer), pas de déchets à longue durée de vie, pas de risque d'emballement.

Défis : Températures extrêmes, confinement du plasma, matériaux résistants aux neutrons, coût des recherches.

Exercices

Ex. 1 — Calcul d'énergie de fusion

La fusion d'un atome de deutérium et d'un atome de tritium libère 17,6 MeV. Combien d'énergie (en joules) serait produite par la fusion de 1 gramme de mélange D-T ?
(1 eV = 1,602×10⁻¹⁹ J, masse molaire D ≈ 2 g/mol, T ≈ 3 g/mol)

1 g de mélange D-T (rapport 1:1) contient environ 0,4 g de D et 0,6 g de T.
Nombre de paires D-T : N = (0,4/2) × Nₐ ≈ 0,2 × 6,022×10²³ = 1,204×10²³ paires.
Énergie totale : E = 1,204×10²³ × 17,6 × 10⁶ × 1,602×10⁻¹⁹ ≈ 3,4×10¹¹ J
(équivalent à ~80 tonnes de TNT ou l'énergie de 1000 foyers pendant un an).

Ex. 2 — Température nécessaire

Estimez la température nécessaire pour que deux noyaux de deutérium (charge +e chacun) puissent se rapprocher à 1×10⁻¹⁵ m (portée de l'interaction forte) malgré la répulsion coulombienne.

Énergie coulombienne : U = k q₁q₂/r = (9×10⁹) × (1,6×10⁻¹⁹)² / (1×10⁻¹⁵) ≈ 2,3×10⁻¹³ J
Équivalence thermique : U = (3/2) kT → T = 2U/(3k) = 2×2,3×10⁻¹³/(3×1,38×10⁻²³) ≈ 1,1×10¹⁰ K
En pratique, l'effet tunnel réduit cette température à ~100 millions de K.

EN — Level: high school / early university

What is nuclear fusion?

Nuclear fusion is the process where two light atomic nuclei (such as hydrogen or its isotopes) combine to form a heavier nucleus, releasing a tremendous amount of energy. This is the reaction that powers stars, including our Sun.

Fundamental equation (deuterium-tritium fusion):
D + T → He⁴ + n + 17.6 MeV
Where D = deuterium (²H), T = tritium (³H), He⁴ = helium, n = neutron
He Solar Fusion Core temperature: ~15 million K

Conditions required for fusion

To overcome Coulomb repulsion between positive nuclei, we need:

  1. High temperature (≥ 100 million Kelvin) to give nuclei enough kinetic energy
  2. High density to increase collision probability
  3. Sufficient confinement to maintain plasma long enough
Lawson criterion: nτ ≥ 10²⁰ s·m⁻³ (for D-T fusion)
Where n = plasma density, τ = confinement time

Confinement methods

Method Principle Examples
Magnetic confinement Plasma held by intense magnetic fields Tokamak (ITER), Stellarator
Inertial confinement Implosion using lasers or particle beams Laser Mégajoule (LMJ), National Ignition Facility (NIF)

Advantages and challenges

Advantages: Nearly unlimited fuel (deuterium in seawater), no long-lived radioactive waste, no risk of runaway reactions.

Challenges: Extreme temperatures, plasma confinement, neutron-resistant materials, high research costs.

Current projects

  • ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor): Largest tokamak under construction in France
  • NIF: Achieved scientific breakeven in 2022 (more energy out than laser energy in)
  • DEMO: Planned demonstration power plant to follow ITER

Exercises

Ex. 1 — Fusion energy calculation

The fusion of one deuterium atom and one tritium atom releases 17.6 MeV. How much energy (in joules) would be produced by fusing 1 gram of D-T mixture?
(1 eV = 1.602×10⁻¹⁹ J, molar mass D ≈ 2 g/mol, T ≈ 3 g/mol)

1 g of D-T mixture (1:1 ratio) contains about 0.4 g of D and 0.6 g of T.
Number of D-T pairs: N = (0.4/2) × Nₐ ≈ 0.2 × 6.022×10²³ = 1.204×10²³ pairs.
Total energy: E = 1.204×10²³ × 17.6 × 10⁶ × 1.602×10⁻¹⁹ ≈ 3.4×10¹¹ J
(equivalent to ~80 tons of TNT or energy for 1000 homes for one year).

Ex. 2 — Required temperature

Estimate the temperature needed for two deuterium nuclei (charge +e each) to approach within 1×10⁻¹⁵ m (range of strong interaction) despite Coulomb repulsion.

Coulomb energy: U = k q₁q₂/r = (9×10⁹) × (1.6×10⁻¹⁹)² / (1×10⁻¹⁵) ≈ 2.3×10⁻¹³ J
Thermal equivalence: U = (3/2) kT → T = 2U/(3k) = 2×2.3×10⁻¹³/(3×1.38×10⁻²³) ≈ 1.1×10¹⁰ K
In practice, quantum tunneling reduces this to ~100 million K.