Fusion nucléaire

[Mathieu37000]

Bonjour,

Je fais un exposé sur la bombe H et je n'arrive pas à comprendre certaines choses.

Pourquoi utilise-t-on des isotopes de l'hydrogène?

J'ai vu que la réaction entre le tritium et le deutérium est l'une des plus simples, mais il faudrait que j'explique pourquoi. D'après Wikipédia, la répulsion électrostatique est plus facile à vaincre pour les éléments avec un Z plus petit, pourquoi?

de plus "être exothermique : cette condition semble évidente, mais elle limite les réactifs à la partie de la courbe des énergies de liaison correspondant aux faibles numéros atomiques Z"

Je n'ai pas trop de connaissance sur l'énergie de liaison, mais je ne comprend pas pourquoi le fait que la réaction soit exothermique correspond aux numéros atomiques Z inférieure.

"Les réactions de fusion qui dégagent le plus d’énergie sont celles qui impliquent les noyaux les plus légers"
Comprenez-vous pourquoi aussi?

Merci de m'éclaircir si c'est possible, je trouve peu d'articles qui expliquent plus en détail la fusion nucléaire

Cordialement
-----

[HarleyApril]

Bonsoir

C'est plus du domaine de la physique que de la chimie.
Je déplace en conséquence.

Pour la modération

[HarleyApril]

Je déplace en conséquence.

Non, non, il faut déplacer en physique

[FC05]

Pour les forces de répulsion : recherche la formule de la force électrostatique.
Pour l'énergie : regarde du côté de la courbe d'Aston.

@HarleyApril : vous êtes plusieurs dans le même corps ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[Mathieu37000]

Je l'ai fait, mais justement, F = k * (q1*q2)/r^2

Donc elle est plus simple à vaincre quand la distance est plus grande, et cette dernière serait donc plus petite quand r est plus grand ou que les charges q sont plus faibles. Or je vois pas le rapport avec Z, si Z est grand r est plus grand non?
Ou si Z est petit les charges sont plus faibles? Pourquoi?

J'ai vu la courbe d'Aston, l'énergie de liaison pour D est de 1 environ et un peu moins de 3 pour T
Elle est donc faible mais je ne vois pas en quoi cela montre que la réaction est exothermique...

[XK150]

Bonjour ,

Je ne chercherai pas à expliquer le pourquoi de la réaction .
Mais c'est comme vous voudrez ...
Voilà la réaction , le simple bilan des énergies de liaison donne les résultats de l'énergie dégagée , 17.6 MeV :

3H1 + 2H1 > 4He2 + 1n0 + 17.6 MeV

L'énergie se répartit selon le rapport inverse des masses, l'alpha emmène 3.5 Mev et le neutron 14.1 Mev.
C'est la réaction de fusion la plus facile à amorcer , c'est pourquoi ce sera aussi celle de la fusion contrôlée .

[Mathieu37000]

Je voulais essayer d'expliquer pourquoi on utilise le deutérium et le tritium, je ne sais pas si cela suffit à ce que je dise que c'est la réaction la plus simple?

D'une manière générale j'aimerai mieux comprendre pourquoi on utilise des atomes à Z faibles.

De plus, j'aimerai bien expliquer pourquoi il y a une explosion.
La réaction produit de l'énergie qui se transmet sous forme de chaleur, et?

Comment je pourrai expliquer l'explosion de la bombe? Si ce n'est une forte pression et une grosse chaleur ?

[XK150]

re ,
La réaction D-T est celle qui nécessite le moins d'énergie pour démarrer .
Tout est assez bien expliqué ici : https://fr.wikipedia.org/wiki/Fusion...m_plus_tritium

" La fusion de noyaux légers dégage d’énormes quantités d’énergie provenant de l’attraction entre les nucléons due à l’interaction forte (voir énergie de liaison nucléaire). Elle est avec la fission nucléaire l’un des deux principaux types de réactions nucléaires appliquées."

Pour vous en convaincre , il faut faire les calculs très simples d'énergie de liaison ( programme de terminale , il me semble ).

Oui, " l' explosion" n'est "que" l'apparition d'une énorme quantité d'énergie sous forme de chaleur ( encore facile à calculer : 17.6 MeV par paire de noyaux fusionnés ) en un temps très court . Il s'en suit des incendies et effet de souffle dévastateur dû au déplacement de masses d'air chaudes et froides .

[Mathieu37000]

J'avais lu la page wikipédia mais je ne comprenais pas "Or l’investissement énergétique à fournir pour obtenir cette liaison est proportionnel au produit des charges électriques des deux noyaux en présence. C’est pourquoi le choix pour la fusion s’est porté sur le*deutérium*et le*tritium, deux isotopes lourds de l’hydrogène, pour lesquels ce produit vaut 1."

Je veux éviter de faire un copier coller mais plus expliquer pourquoi

Pour l'energie de liaison ok, je vais regarder ça

Et pour l'explosion ok aussi, mais mon exposé porte sur l'explosion de la bombe, pour cela que je pensais qu'il fallait dire quelque chose de plus détaillé

[XK150]

re ,

Je n'explique cette valeur de "1 " que de la façon suivante :
La barrière coulombienne est la plus faible pour les isotopes de l'hydrogène , car il ne reste plus face à face que UN proton de chaque coté :
un dans le deuton et un dans le triton ; le milieu est totalement ionisé , les électrons ne sont plus liés .
Dans ce cas , la barrière coulombienne vaut environ 0.1 Mev ce qui devrait correspondre à environ 40 millions de degrés .
La répulsion p - p va être maximum vers 2 fermi . Passé cette distance , c'est gagné , c'est la force nucléaire forte ( toujours attractive )
qui va attirer les 2 noyaux qui vont pouvoir fusionner . L'énergie dégagèe va augmenter la température du milieu , augmentant l'énergie cinétique des noyaux ,
et facilitant de nouvelles fusions . Ce n'est pas strictement une réaction en chaîne , mais cela y ressemble beaucoup et l'effet et le même .

[LPFR]

"..., pour lesquels ce produit vaut 1."
...

Bonjour.
Il me semble que la phrase est simplement mal rédigée. Ce qui vaut 1 n’est pas le produit des charges, mais le produit du nombre de charges.
C’est une façon « savante » de dire qu’on utilise des noyaux avec le minimum de charges possible.
Au revoir.

[Mathieu37000]

Re,

Merci pour vos réponses.

La barrière coulombienne correspond juste à la force électrostatique qui doit être vaincue entre les deux noyaux donc?

Elle vaudrait donc 6 si on avait à faire entre un C et un H ? (juste histoire de comprendre)

On trouve 0,1 MeV par calcul?

J'ai trouvé cette formule : Ec = (Z1*Z2*e^2)/r0

C'est celle ci? Je ne retrouve pas 0,1 MeV

Pour la correspondance avec la température, y-a-t-il une courbe?

La répulsion maximale vers 2 fermi, comment le trouve t-on? C'est donc à cette distance que la barrière coulombienne vaut 0,1 MeV, ou je n'ai pas comprit?

Désolé mais je ne trouve pas grand chose dans mes recherches :/

[XK150]

Re ,

Barrière coulombienne Tc : Energie cinétique mini pour atteindre la région où règnent les forces nucléaires .
Votre relation est incomplète : à multiplier par 1 / 4 Pi Epsilon(o) , ce terme est très peu différent de 9 10^9 ... je n'écris pas l'unité .
Si vous prenez 10 fermi ( au lieu de 2 ) , vous devez trouver Tc = 0.144 MeV une fois faite la conversion J > MeV .
Relation énergie - température : E = k T , k : constante de Boltzman .

[Mathieu37000]

Re, merci pour ta réponse

Donc en gros*:

Pour que 2 atomes puissent fusionner, ils doivent vaincre la barrière coulombienne. C’est une barrière qui correspond à la force électrostatique entre les deux noyaux qui sont chargés positivement.
Elle est égale à*: Tc = (Z1*Z2*e^2)/(4*pi*epsilon(o))

E = k*T

Il faut donc une température de…. Pour vaincre cette barrière

C’est cela*?

Je n’ai juste pas comprit d’ou vient la distance que l’on cherche*? Comment on trouve les 2 fermis*?

[XK150]

Re ,
C'est correct , Les 10 à 2 fermi sont observés et sûrement calculés : c'est la zone où apparaît l'interaction nucléaire forte qui existe pour tous les noyaux bien sûr .

Dans votre exposé , je présenterai ce que l'on appelle , la section efficace ( cross section ) de la réaction D - T ( et autres de fusion ) .
Ceci permet des comparaisons intéressantes .
Ce n'est pas une notion compliquée , je vous laisse chercher , on en reparle .

[Mathieu37000]

Re,

Désolé, je n'ai pas pu travailler dessus hier.

Je me suis donc renseigné sur la section efficace, c'est la probabilité d'interaction entre les particules?

Je trouve plusieurs formules, serait-ce la bonne : (n*pi*r^2)/ S?

http://forums.futura-sciences.com/ph...ction-d-t.html

J'ai trouvé un post intéressant sur ce forum, qui parle de la section entre D-T, cependant il donne peu de sources, sauriez-vous si son calcul est bon et ou je pourrai trouvé des sources? Notamment le facteur de Gamow dont il parle.

Comparer ce résultat avec une autre réaction (ex C-H) montrerait que la section efficace entre D-T serait plus probable ce qui expliquerait pourquoi ils peuvent fusionner?

[XK150]

Re ,

Voilà ce qui est important de présenter :https://www.google.fr/search?q=secti...YDmW34eTquabM:

La section efficace des différentes réactions de fusion en fonction de l'énergie ( que vous savez transformer en température ) .
La section efficace , ce n'est que la probabilité d'occurrence de la réaction ( ...que la réaction se produise ).
Elle s'exprime sous la forme d'une surface , comme si les noyaux avaient une surface virtuelle au lieu de leur surface réelle ( choix pour homogénéité et facilité dans les calculs ).
On voit clairement que c'est la réaction D-T qui est " la plus facile " ( façon de parler ...) à réaliser : c'est elle qui commence aux plus basses énergies
et qui présente la plus forte probabilité vers 100 keV .
C'est pourquoi elle est choisie par les militaires et par les civils pour la fusion contrôlée .

[Mathieu37000]

Re,

Merci pour les précisions, donc dans l'idée si j'ai bien comprit maintenant :

Pour que 2 atomes puissent fusionner, ils doivent franchir la Barrière Colombienne pour atteindre la région ou les forces nucléaires règnent pour permettre une fusion.

E=k*T

Pour vaincre cette barrière, il faut donc une forte chaleur, c'est pour cela qu'on utilise une bombe A dans l'ammorcement de cette dernière.

De plus, il y a une probabilité que la réaction se produise, c'est ce que l'on appelle la section efficace, on voit bien sur ce schéma que la réaction D-T est la plus probable et est celle qui demande le moins d'énergie, par conséquent une température moindre.

C'est pour cela que les choix se sont portés sur ces deux isotopes de l'hydrogène.


Dans l'idée c'est ça? Je vais essayer de faire un "propre" (avec calculs et plus détaillé) et le poster ici d'ici jeudi ou vendredi pour avoir ton avis avec mes idées si cela est possible, merci encore pour ton aide

[XK150]

Re ,
Je ne sais pas trop ce que l'on attend de vous : mais pour moi , c'est bon .

[Mathieu37000]

Une précision...

On a donc évoqué que l'énergie qu'il fallait servait à atteindre la zone où les forces nucléaires agissaient (interaction forte).

L'idée, c'est en atteignant la zone, cela permet de vaincre cette interaction, qui est responsable de l'énergie de liaison nucléaire, ainsi, en l'ayant vaincu, cela permet de fusionner les atomes et c'est cette énergie qu'on récupère après les fusion (17,6 MeV) ?

[Mathieu37000]

De plus, je n'arrive pas à retrouver les 0,144 MeV de la barrière colombienne, mon calcul est le suivant :

(Z1*Z2*e^2)/(4*pi*Epsilon(0)*R0)

Avec Z1=Z2=1
e=1,6*10^-19
Epsilon(0)=8,854*10^-12
r0=2*10^-15

J'obtient 0,7 MeV...

Je ne vois pas mon erreur, une idée?

[Mathieu37000]

De plus, en essayant le calcul avec 0,144 MeV, je retrouve 166 Millions de degré et non 40, le calcul :

0,144 MeV = 2,30*10^-14 J

T = 2,30*10^-14 / k = 1666666667 K = 1666666393 °

k=1,38*10^-23

PS : Désolé pour de ne pas tout écrire sous un seul poste, je fais mon propre et m'aperçois qu'au fur et à mesure de mes erreurs

[XK150]

Je pense que vos calculs sont bons ; tout vient du choix des données :

Si on prend r = 10 fermi ( "début de la zone où les forces nucléaires .... " ) , on trouve E = 144 keV .
Mais des réactions peuvent apparaître plus tôt ( voir la courbe de section efficace en log - log ) en dessous de 10 keV même , 10 keV = 110 millions de degrés .
Tout cela n'est pas incohérent .

Attention , le bilan de la réaction 17.6 MeV ne dépend que du bilan défaut de masse - énergie de liaison :
vous devez mettre ce calcul et retrouver les 17.6 MeV à partir des masses exactes :,, je vous évite de les chercher ..
3H : 5.0074 10^-27 kg
2H : 3.3437 ....
4He : 6.6447 ...
n : 1.6750 ...

[Mathieu37000]

Si les calculs sont bons si je remplace par 10 fermis, ok, mais pour la température je vois pas ou serait l'erreur du coup ?

Pour les 17,6 MeV j'ai bien le résultat avec Dm(F)-Dm(i)

Masse initiale = masse*+ masse**= 2,01355 + 3,01550 = 5,02905 u
Masse finale = masse*+ masse**= 4,00150 + 1,00866***= 5,01016 u*

m =**Masse finale -**Masse initiale = 5,01016 - 5,02905 = - 0,01889 u
= - 3,13676*x*10*-*29*kg

E = m*c^2

E = 3,13676 x*10*-*29*x (2,998*x*10*8)2*= 2,819321 x*10*-*12*J = 17,5998 MeV


J'avais d'autres valeurs.

Mais ce que je veux dire, on cherche à atteindre la zone ou il y a l'interaction forte, pourquoi? Pour se rapprocher oui, mais dès qu'on atteint cette zone, ça "annule" l'interaction forte qui est responsable de la collision dans l'atome?

[XK150]

1 eV = 1.6 10^-19 J = 1.38 10^-23 . 11600
1 eV = 11600 K

Il faut franchir la barrière coulombienne ; La réaction se produit , les 17.6 MeV augmente la température du milieu .
La température augmentant , il est de plus en plus facile de franchir la barrière ( ce qui apparaît bien avec la courbe de section efficace ) .
Et le processus s'amplifie de lui-même .

[Mathieu37000]

Ok pour la zone de l'interaction forte.


Par contre je ne retrouve pas la bonne température

Si 1 eV = 11600K

0,144 MeV = 144 000 eV

T = 11600 * 144 000 = 1670400000 K

Après au pire je peux laisser les 166 Millions de degré et préciser qu'expérimentalement on se trouve plus vers 50-100 millions peut être ?

[obi76]

Après au pire je peux laisser les 166 Millions de degré et préciser qu'expérimentalement on se trouve plus vers 50-100 millions peut être ?

Expérimentalement on tourne autour des 130 millions.

[Mathieu37000]

Autant pour moi !

Je pensais qu'on était un peu en dessous de 100 M de degré... Désolé

[obi76]

Je pensais qu'on était un peu en dessous de 100 M de degré... Désolé

Ca dépend des équipements (des tokamaks, il y en a plusieurs)

[XK150]

Vous vous accrochez à la courbe de section efficace sur laquelle vous aurez mis en face des énergies , les températures correspondantes .
Cette courbe , aussi bien calculée que vérifiée par des points expérimentaux , est la référence absolue ,

La notion de barrière - qui existe bien sûr - est une notion quantique plus floue ( et qui devient hors de mes connaissances !);
Si l'on cherche un peu , il faut s'intéresser à sa hauteur , au rayon qu'elle présente vis à vis de la particule incidente ,
à sa largeur vue par la particule incidente , à la fréquence des collisions qui s'y produisent , à ...etc , etc .
Ce n'est plus de mon niveau .