Question sur la fusion nucléaire

[sunlounger]

Salut tout le monde

Je me pose une question depuis un moment concernant la fusion nucléaire… je m’explique :

Lorsqu’on parle de fusion nucléaire on fait toujours référence à l’hydrogène comme élément, que ce soit pour la bombe H, ou encore la fusion nucléaire contrôlée comme solution futuriste pour produire de l’électricité.

Je sais que la fusion nucléaire produit bien plus d’énergie que la fission, mais je me dit en parralèle qu’étant donné que l’hydrogène est l’élément le plus léger, il doit être possible théoriquement d'extraire encore plus d'énergie avec des éléments plus lourd.

Les étoiles plus massives que le soleil fusionnent bien les atomes d’hélium entre eux et certaines vont jusqu'à la fusion du silicium, et pour aller plus loin les supernovaes créent les éléments parmi les plus massifs de l’univers (or, plomb, uranium etc…)

Evidemment la technologie nécessaire pour créer de telles fusions devrait être ahurissante, et l’énergie libérée (sous forme de bombe thermonucléaire ou d’électricité civile) être stupéfiante.

Malheureusement je n’ai jamais lu nulle part la simple évocation de ses possibilités de fusion, comme si tout cela ne sortait que de mon imagination. J’ai cherché sur internet et je n’ai rien trouvé.

Alors la fusion nucléaire lourde par l’homme , ça pourrait exister oui ou non ?
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[JPL]

Eh bien non ! Si l'on regarde ce qui se passe quand on fusionne deux noyaux très légers on constate que le noyau résultant a une masse plus faible que la somme de celle des noyaux initiaux. Cette différence de masse implique qu'il y a eu un énorme dégagement d'énergie. Mais pour cela il faut d'abord dépenser beaucoup d'énergie pour faire rencontrer les deux noyaux car, étant chargés positivement il y a une forte répulsion électrostatique.

Très vite quand on prend des noyaux un peu plus lourd la différence de masse devient faible tandis que la répulsion électrostatique devient excessivement forte à cause de la charge des protons. Autrement dit c'est infaisable et de toutes façons la différence de masse serait trop faible pour qu'on récupère une quantité intéressante d'énergie.

Puis dès qu'on dépasse la masse atomique du fer c'est l'inverse qui se produit : la masse résultant de la fusion serait inférieure, mais de peu, à celle des noyaux initiaux et comme de plus c'est infaisable avec la quasi totalité des noyaux n'en parlons plus.

Par contre si on s'intéresse à un noyau très lourd comme celui de l'uranium, si on le casse en deux la masse des morceaux est significativement inférieure à celle du noyau d'uranium, autrement dit c'est ce processus, la fission qui dégage de l'énergie. Certes cette énergie est beaucoup plus faible que celle de la fusion de deux noyaux très légers, mais le processus a un gros avantage : le noyau d'uranium n'est pas très stable et il suffit d'une pichenette pour qu'il fissionne. C'est ce qu'on fait avec les réacteurs nucléaires ou la pichenette est constituée par des neutrons lents.

Donc avec la majeure partie des noyaux on ne peut rien faire, ils sont trop stables. Avec les plus légers (en pratique les isotopes de l'hydrogène) la fusion est intéressante ; avec les plus lourds (thorium, uranium, plutonium) la fission est possible sans grande difficultés et dégage une quantité d'énergie intéressante.

[invite07941352]

Bonjour,
Oui, il y a de la doc sur Internet . On peut commencer ici : https://fr.wikipedia.org/wiki/Fusion_nucl%C3%A9aire
Voir critères pour les candidats à la fusion terrestre ,
et notamment le fait de devoir vaincre la répulsion électrostatique et la barrière coulombienne .
On a déjà un mal énorme à faire fusionner D + T ....
Et les réactions qui dégagent le plus d'énergie sont celles mettant en œuvre les noyaux légers .

Doublé par JPL ...

[Gilgamesh]

Il faut ajouter à cela que la réaction proton - proton (aka chaine p-p), certainement la réaction de fusion la plus courante de l'Univers est la seule qui soit réellement infaisable sur Terre et inutilisable pour produire de l'énergie.

La raison en est que ce n'est pas une 'vraie' réaction de fusion, en fait. Une fusion "normale" ça se passe quand tu rapproches deux noyaux de disons, moins de 1 fermi (10-15 m), que l'interaction forte, comme un velcro surpuissant peut alors les retenir de ses petits bras musclés (très musclés mais très courts) ET que l'édifice ainsi formé est plus stable que l'état de départ, en additionnant l'interaction forte et la répulsion coulombienne. Or tu peux rapprocher deux protons aussi près que tu veux, il ne se passera rien. La réaction n'a donc jamais été observée en labo... Un noyau pp, ça n'est pas stable. Trop de charges positives, mon fils, faut des neutrons pour que ça colle.

Sauf si tu as la patience d'attendre, boualé... une 'tite dizaine de milliards d'années... Le temps qu'un des deux protons ait la bonne idée de subir une "décroissance bêta +" pour se transformer en neutron, en éjectant un positon (e+) et un neutrino électronique ve (pour équilibrer la charge "d'antiélectronicité" de e+) et ce, au moment même de la rencontre. Or ce phénomène, purement stochastique, résulte d'un "courant chargé" (interaction faible) c'est à dire de l'émission par effet tunnel d'un boson W+. Un quark u du noyau se change en quark d ce qui transforme le proton en neutron. Le boson W+ étant un gros pépère (81 GeV) il se propage peu et voila ce qui explique la longévité du Soleil.

[A voir en vidéo sur Futura]

[sunlounger]

Merci pour vos réponses. Je vois que vous maitrisez bien le sujet

... car moi je suis loin de toute comprendre alors je vais essayer de synthétiser ce que j'ai compris histoire d'être sûr :

- La fusion d'atomes lourds dégage moins d'énergie que ceux d'atomes léger. C'est juste que je ne comprends pas pourquoi ?
- L'énergie utilisée (champ electromagnétique ?) serait de toute façon supérieure à l'énergie libérée donc aucun intérêt...
- Il est difficile de faire de la fusion lourde car les protons se repoussent entre eux et il manque des neutrons dans la soupe pour que ça fonctionne bien
- La fusion la plus énergétique possible est 2Deutérium +3Tritium (qui sont des isotopes de l'hydrogène)

N'hésitez pas à corriger si je dis n'importe quoi

[invite07941352]

Re,

- La fusion d'atomes lourds dégage moins d'énergie que ceux d'atomes léger. C'est juste que je ne comprends pas pourquoi ?

On pourrait répondre , parce que l'on constate que c'est ainsi ... Un peu plus physique : aussi bien en fission qu'en fusion , les nucléons ne disparaissent pas , l' énergie provient du bilan des défauts de masse des atomes en jeu ; ce bilan est plus favorable pour les atomes légers .Voir définition du défaut de masse des atomes .

- L'énergie utilisée (champ electromagnétique ?) serait de toute façon supérieure à l'énergie libérée donc aucun intérêt...

Oui. L'énergie est donnée par l'agitation thermique , il faut chauffer le mélange au point d'obtenir l'état de plasma chaud de la matière . Il existe plusieurs méthodes de chauffage .
Les champs magnétiques ne servent qu'à confiner le plasma et par exemple à éviter que le plasma ne touche les parois de l'enceinte qui serait immédiatement volatilisée ...

- La fusion la plus énergétique possible est 2Deutérium +3Tritium (qui sont des isotopes de l'hydrogène)

La réaction D , T est effectivement assez énergétique , elle libère environ 17 MeV par réaction , MAIS son avantage premier , pour nous terriens , c'est celle qui démarre à la plus basse température des réactions de fusion possible , donc " la moins difficile " à amorcer . Il faut tout de même une centaine de millions de degrés...

[Nicophil]

Bonjour,

l' énergie provient du bilan des défauts de masse des atomes en jeu ;

Je préfère dire : les défauts de masse des noyaux proviennent du bilan d'énergie de liaison nucléaire.

- La fusion d'atomes lourds dégage moins d'énergie que ceux d'atomes légers. C'est juste que je ne comprends pas pourquoi ?

Ce tableau https://fr.wikipedia.org/wiki/Liaiso...nucl.C3.A9aire montre l'énergie de liaison pour les différents atomes. Attention :
- il s'agit de l'énergie de liaison par nucléon (il faut multiplier par le nombre de nucléons).
- l'énergie de liaison est un endettement en masse/énergie : plus d'énergie de liaison veut dire plus grand défaut de masse.

[Nicophil]

Sauf si tu as la patience d'attendre, boualé... une 'tite dizaine de milliards d'années...

Quelle est la valeur précise ?

[invite07941352]

Bonjour,

Je préfère dire : les défauts de masse des noyaux proviennent du bilan d'énergie de liaison nucléaire.

Re,
Je ne cherche pas à expliquer ce qu'est le défaut de masse , je cherche à expliquer d'où provient l'énergie libérée par la réaction .

[Nicophil]

Oui, la chaleur qui se dégage d'une réaction nucléaire est de l'énergie cinétique. Pour la produire, de l'énergie potentielle a été consommée :
- fusion : petit gain en répulsion coulombienne mais grand déficit en attraction forte.
- fission : petit gain en attraction forte mais grand déficit en répulsion coulombienne.

Il y a compétition entre les deux énergies potentielles, l'inversion du "rapport de forces" se situant au niveau fer/nickel.

[Gilgamesh]

Quelle est la valeur précise ?

Le taux de réaction dépend de la température, de la densité et de la teneur de hydrogène.

Il peut se calculer comme :



avec :

R_pp le nombre de réactions p + p →pn + e⁺ + ν_e par cm3 par seconde

X la teneur massique en hydrogène du plasma. La composition des étoiles est usuellement notée X, teneur en hydrogène, Y, teneur en He4, Z (aka métallicité), tout le reste, avec X+Y+Z=1. Pour le Soleil : X = 0,7381 dans l'enveloppe et dans le cœur (la partie du Soleil où se déroulent les réaction de fusion), la teneur varie de X=0,68-0,70 à l'extérieur à 0,33 au centre

T₉ la température en milliard de K. Pour le Soleil : T₉ = 0,0155

ρ la densité en g/cm3 (je pense). Pour le Soleil ρ = 153 g/cm³

source: Proton-Proton Chains and Deuterium Burning

Un article plus détaillé qui explique la réaction à un niveau plus fondamental : Solar fusion cross sections II: the pp chain and CNO cycles