Fusion, source inépuisable d'énergie

1989/05/01 Legarreta, J. A. Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Energia

La fusion nucléaire est le processus de formation d'un noyau plus lourd en additionnant deux noyaux légers, libérant une grande quantité d'énergie. C'est celle qui apporte la plus grande quantité d'énergie de toutes les sources d'énergie que nous connaissons.

Cette énorme quantité d'énergie est due à la perte de masse dans la réaction. Mais qu'est-ce que la perte de masse? La masse des noyaux atomiques mesurés en laboratoire est inférieure à la somme des masses de leurs nucléons, appelés proton et neutron nucléon, et cette différence de masse est appelée perte de masse. For example, in the laborating assumption of 4 ₂ He mass 4.0015 amu (amu = unit. atomique de masse = 1.66077x x10 ^-27 kg. C'est l'unité utilisée pour mesurer la masse des atomes).

Pour sa part, la somme des masses de ses deux protons et deux neutrons est de 4,032 amus. Ainsi, si nous générons le noyau d'hélium en combinant ses quatre composants, nous aurions une perte de masse de 0,0305 amu. Où est cette masse? E = m obtenu par ALBERT EINSTEIN pour répondre à cette question. Nous devons aller à l'équation c ^2. Cette équation permet la production d'énergie par masse et vice-versa. Selon l'équation ci-dessus, la masse de 0,0305 amu équivaut à une énergie de 28,3 MeV. The mass perding at generation of ⁴ ₂ He is liberated as energy.

Quand on a découvert que cette perte de masse produit de l'énergie, une recherche de fusion aurait eu lieu. Les expériences réalisées dans ce domaine ont été très nombreuses. Dans les fusions nucléaires étudiées, la plus rentable est l'intermédiaire entre le deutérium de l'hydrogène et les isotopes de tritium, car il est celui qui apporte le plus d'énergie.

Le problème rencontré dans la recherche des réactions de fusion est, entre autres, celui de surmonter la barrière électrostatique. Rappelons que, selon l'électrostatique, les charges du même signe se repoussent entre elles, et plus les deux charges sont proches, plus la force répulsive qu'elles subissent est grande. Par conséquent, si vous voulez effectuer le processus de fusion des deux noyaux, vous devez surmonter la force répulsive. Pour eux, nous aurons besoin de millions de degrés de température et beaucoup de pression. Dans le cas de la réaction de fusion Deutérium-Tritium, par exemple, une température de 108ºC est nécessaire. Bien que les chercheurs travaillant dans les centres de recherche de fusion tentent d'atteindre des températures et des pressions élevées, les résultats ne sont pas satisfaisants.

Cela dit, le physicien américain STEVEN JONES a participé à la réunion convoquée par l’American Physical Society le 24 avril 1986, affirmant que, sur la base de ses expériences, il avait réussi à achever le processus de fusion à une température d’environ 100C. Selon lui, si nous pouvions remplacer l'électron d'un des deux atomes d'hydrogène qui interviennent dans la réaction de fusion par une particule appelée muon, la fusion se produirait à une température beaucoup moins élevée. Par conséquent, nous pourrions dire que la réaction de fusion est catalysée par le muon.

Le muon a été trouvé dans le rayonnement cosmique en 1936. Le tableau suivant montre que l'électron et le muon sont très similaires.

Ce tableau montre la similitude entre le muon et l'électron.

Le muon est très instable, comme en témoigne la valeur de sa vie moyenne, 207 fois plus lourd que l'électron. Pour cette dernière propriété est connue comme électron lourd.

La vérité est que ce que propose Jones n'est pas une idée nouvelle ; il y a environ quarante ans F.C. de l'Université de Bristol. Le physicien FRANK a suggéré que le muon pourrait catalyser la fusion.

Voyons ce qui se passe en remplaçant l'électron par un muon. Comme on le sait, le rayon de l'atome est inversement proportionnel à la masse. Par conséquent, l'atome d'hydrogène avec muon serait intériorisé environ 200 fois plus que celui d'électron et le muon serait beaucoup plus proche du noyau. En conséquence, le muon déguise la charge positive du noyau et la force répulsive entre ce noyau et un autre noyau semble moins intense, dépassant plus facilement la barrière électrostatique. Par conséquent, nous n'avons pas besoin de chauffer jusqu'à des températures nucléaires élevées.

Bien que cette méthode représente une avancée majeure dans le domaine de la fusion, nous ne devons pas penser que nous avons nettoyé tous les problèmes. La vérité est que tout ce qui a été mentionné jusqu'ici est théorie et si elle est mise en pratique, il faudra apporter des solutions aux problèmes technologiques.

Voyons F.C. Frank explique la réaction de fusion catalysée par des muons. Le processus de fusion développé par Frank se déroule en quatre étapes :

1. étape: Le muon expulse l'électron de l'atome d'hydrogène de son orbite, formant l'hydrogène avec du muon.
2. étape: En cas de deutérium ou noyau de tritium autour de l'atome d'hydrogène avec muon, celui-ci passerait de l'hydrogène au deutérium ou tritium, car en taxant les muons autour d'un noyau plus lourd, il serait dans un orbital de moindre énergie. Rappelons que selon la thermodynamique tous les systèmes physiques, et dans notre cas les muons, tendent à un état ou un niveau d'énergie inférieur. Nous avons donc obtenu un deutérium avec muon.
3. étape:
   Comme la colline est très proche de son noyau actuel, sa charge négative déguise la charge positive du noyau, plus facilement pour surmonter la force répulsive électrostatique. Ainsi, le deutérium avec muon et un atome d'hydrogène proche pourraient se heurter. À la suite de la collision, l'électron de l'atome d'hydrogène serait expulsé par le muon et par celui-ci le deutérium et le proton se joindraient formant la mésomolécule.
   Les deux noyaux sont très proches les uns des autres et vibrent, ils sont donc une excellente occasion de surmonter la barrière électrostatique et de fusionner.
4. étape: Dans cette
   dernière étape, représentée par Frank, la colline disparaîtrait par la désintégration ou l'absorption du noyau, créant un noyau de ³ He. Par conséquent, la fusion est terminée.

POINT D'INCENDIE. La compression des noyaux des isotopes tritium et deutérium de l'hydrogène permet leur fusion. En conséquence, on extrait un noyau d'hélium, un neutron libre et une grande quantité d'énergie. L'image de la page suivante montre que, dans le cas où la pression extérieure est continue, le neutron libre heurte d'autres noyaux, obtenant la fusion.

Selon les calculs de Frank, l'ensemble des réactions décrites se ^produit dans 10-12 s. La durée de vie moyenne du muon ^{est de 2,2.10 -6} s, ce qui permet de compléter le processus, car avant la disparition du muon se produit la fusion.

Quand tout cela est devenu public, il a été considéré comme une invention. Jusqu'en 1956 cette théorie n'a pas eu ses premières bases expérimentales. Quand un groupe de scientifiques de Berkeley, sous la direction du physicien LUIS ALVAREZ, cherchait les caractéristiques des particules appelées caons, les bases expérimentales citées ont été produites dans la chambre à bulles. Disons que la chambre à bulles est un détecteur de particules utilisé dans la physique nucléaire. Chambre à bulles en 1952 D. A. GLASER et L. Créé par AL{. Un liquide est introduit à la chambre avec une température proche de son point d'ébullition. En diminuant la pression sur le liquide, votre température d'ébullition diminue.

Si la pression diminue suffisamment, la température d'ébullition est inférieure à celle du liquide, entraînant le liquide à l'état de surchauffe. Lorsque le liquide est en état de surchauffe, il est volatile et en cas d'évaporation, comme des particules solides ou des ions, il s'évapore. Par conséquent, si les particules ionisantes traversent le liquide dans ces conditions, des bulles de gaz se formeront autour des ions. Les bulles de gaz montreraient le parcours de la particule et en mesurant la courbure du parcours on peut identifier les particules et l'énergie à laquelle elles appartiennent. Luis Alvarez a utilisé de l'hydrogène liquide et l'a conduit à l'état de surchauffe.

Les chercheurs des laboratoires où les sessions de fusion sont actuellement réalisées utilisent des outils très avancés.

Il fit ensuite passer un jeu de caons à travers l'hydrogène liquide de la chambre à bulles, mesurant la courbure sur le parcours des ions, identifiant en plus des caons les muons. Rappelons que les mouettes sont des particules instables et leur décomposition conduit, entre autres, à la formation de muons. D'autre part, l'hydrogène de la chambre contenait du deutérium dans une proportion de 1/50.000. Ce sont les conditions à remplir pour que le processus de fusion représenté par Frank se produise. Les conditions pour le processus de fusion de Frank semblent se réunir en novembre.

Mais comme la réaction de fusion entre deutérium et tritium donne plus d'énergie, les scientifiques ont proposé que la méthode de Frank pourrait être utilisée pour la réaction D-T.

I.T. PONOMAREV et S.S. Les chercheurs soviétiques GERSTEIN ont proposé que la réaction D-T puisse être catalysée comme suit: au début, le muon adhère au noyau de tritium. Si le tritium muon est proche d'une molécule deutérienne, une espèce de supermolécule se formerait dans laquelle le deutérium et le tritium seraient liés par un muon.

La fusion se produit à l'intérieur de la mésomolécule, comme le processus décrit ci-dessus, mais il ya une différence évidente: dans ce cas, la mésomolécule se forme plus rapidement, de sorte que la fusion se produit plus rapidement. Les Soviétiques ont ensuite analysé la faisabilité du processus décrit et ont estimé qu'avant la désintégration du muon, plus de 100 réactions pouvaient être catalysées. Selon les calculs théoriques réalisés, face à la possibilité de réaliser un processus de fusion par muons, les chercheurs ont commencé à analyser la rentabilité énergétique du processus.

En 1983, Steven Jones et son équipe de recherche ont mené des expériences dans lesquelles 80 D-T de réactions de fusion de moelle osseuse ont été mesurées. En dépit d'être une bonne quantité, elle était très petite du point de vue de la rentabilité énergétique, puisque l'énergie dépensée dans le processus était supérieure à celle obtenue. Bien qu'il existe plusieurs voies pour obtenir le muon, ils sont généralement obtenus par désintégration de la particule appelée pion, la méthode la plus rentable et la meilleure. Les pions proviennent de chocs internucléons, généralement entre noyaux de carbone et protons. Disons que vous avez besoin d'une quantité d'énergie de 5 GeV pour obtenir le muon décrit et que des 80 réactions de fusion de D-T mesurées par Steven Jones dans vos expériences, vous pouvez obtenir une quantité d'énergie de 1,4 GeV. Par conséquent, entre 300 et 400 réactions de fusion devraient se produire dans le muon pour rentabiliser le processus. Voici la compétition.

Les physiciens ont vu la nécessité d'améliorer les sessions. Dans les sessions organisées par des physiciens de l'Université de l'Idaho, 170 fusions de muon ont été obtenues et le double devrait être atteint. En outre, les physiciens théoriques ont annoncé des résultats très satisfaisants et affirment que, en améliorant les expériences et la technique, ils pourraient obtenir 103 réactions de fusion dans le muon. D'autre part, des méthodes sont étudiées pour obtenir les muons à moindre coût énergétique.

La réaction qui apporte plus d'énergie est la réaction de fusion D-T. Le muon catalyse la réaction et à travers elle, les noyaux de deutérium et de tritium forment une mésomolécule dans laquelle se produit le processus de fusion.

Une fusion froide ?

Face à ces prévisions, d'autres chercheurs travaillant dans le domaine de la fusion se sont remplis de courage et ont commencé avec force leurs sessions de fusion. Les objectifs de recherche se concentrent sur le processus de fusion à température ambiante, c'est-à-dire sur ce qui est actuellement appelé fusion froide. En fait, STANLEY PONS et MARTIN FLEISCHMANN ont publié lors d'une conférence de presse tenue le 23 mars dernier à l'Université de l'Utah aux États-Unis le processus de fusion récemment réalisé. Ces chercheurs ont complété l'expérience à une température de 27ºC et ont affirmé qu'avec l'utilisation des électrodes de palladium et de platine ils avaient obtenu la fusion des atomes deutérium dans une cuve électrolytique remplie d'eau lourde (D2O).

La conférence de presse n'a pas donné beaucoup de précision et il a été dit que les résultats seraient publiés dans la revue "Nature" en mai de cette année. La semaine suivante, Steven Jones, lors de sa conférence à l'Université de Columbia aux États-Unis, a publié les dernières expériences dans le domaine de la fusion froide et a exposé ses résultats S. Pons et M. Ils sont plus fiables que ceux de Fleischmann, en dépit d'obtenir moins d'énergie.

Rappelons que Steven Jones a consacré ces 5 dernières années à la recherche de la fusion froide. Ses résultats seront également publiés dans la revue "Nature". Par conséquent, nous devrons attendre mai. S. Pons et M. Les Fleischmann ont travaillé pendant les 40 dernières années dans le domaine de la fusion, malgré la fusion de l'hydrogène. Trois chercheurs se connaissent et à leur époque des études de fusion ont été menées dans le même laboratoire et ensemble, mais on sait pourquoi ils se sont séparés et ont été très compétitifs entre eux.

Après avoir connu l'expérience, plusieurs chercheurs commencent à faire des prédictions, comme déjà dit précédemment, S. Pons et M. Vérifier le processus de fusion de Fleischmann. Face aux résultats annoncés par STEPHEN DEAN, coodinateur de chercheurs en énergie de fusion aux États-Unis, Pons et Fleischmann, il a été surpris, car certains physiciens de l'Université de Brighmann Joung ont réalisé la même expérience et Pons et Fleischmann n'ont pas obtenu d'autre énergie. S. Selon Dean, cette méthode ne permet pas de grandes quantités d'énergie.

ROBERT PARK, membre de l'Organisation de physique des États-Unis, a exprimé sa méconnaissance de la manière dont ils ont effectué leurs mesures. Un atome de tritium et un proton dans la première moitié de la phase de fusion de deux atomes de deutérium — R. Pour Park sont créés et dans l'autre centre est formé un atome de He (4) et un proton. La direction du neutron produit et les spectres énergétiques, du moins en raison de l'existence ou non d'une fusion. À votre avis, les rayons X peuvent causer des interférences car ils fournissent la même quantité d'énergie et de direction de neutrons.

S ont utilisé l'outillage aussi simple qu'il apparaît dans l'image. Pons et M. Fleischmann pour effectuer sa session de fusion.

Des chercheurs de l'Organisation de l'énergie atomique britannique, sous la direction de DAVID WILLIAMS, ont effectué ces derniers jours les tests nécessaires. Pons et M. Pour voir la fiabilité du programme Fleischmann. Les séances ont eu lieu dans le centre de Harwell et n'ont pas trouvé de neutrons. En réalité, la présence de neutrons est indispensable pour démontrer la fusion. Au cours des 50 dernières années, les États-Unis ont dépensé des milliards de pesetas dans le secteur de la fusion. Pour l'acceptation de la fusion des atomes d'hydrogène ont été utilisés toutes sortes de méthodes, comme l'encadrement magnétique, le laser. Il n'est donc pas surprenant que le physicien soit méfiant des résultats obtenus par les deux chimistes avec un instrument très simple.

Eritzi eritzi, S. Pons et M. Pour connaître les incidences de l'expérience de Fleischmann, comme déjà dit, nous devrons attendre la publication de la revue "Nature". Mais il semble que cela arrive ainsi: ils font passer le courant électrique à travers l'eau lourde. Le courant électrique dissocie l'eau lourde avec des ions 0= (oxygène) et D+ (deutérium). Les ions positifs D+ sont alors dirigés vers l'électrode négative de palladium (cathode). Quand une grande quantité d'ions D+ est accumulée dans la cathode, l'autre option est que les ions deutérium, étant très proches du batcher, soient fusionnés.

Cependant, les produits de réaction peuvent être de nature différente. Par exemple, on peut former un noyau d'hélium (4) et une énergie neutre de 3.25 MeV. D'autre part, il est possible de former un atome de tritium et un proton de 4 MeV, qui réagit ensuite avec un atome de deutérium, donnant un noyau d'hélium (4) et un neutron de 17, 5 MeV. Les chercheurs ne sont pas d'accord. Certains croient que la première réaction se produit et d'autres disent que c'est la seconde. Comme on le voit, il n'y a pas de manque d'idées et à court terme l'être humain pourra contrôler une énorme énergie dans le processus de fusion.

Enfin, je voudrais consacrer ces derniers mots à la physique des particules, afin que le lecteur se fixe sur les possibilités d'utilisation de cette discipline. Comme on le sait, depuis la découverte de l'électron, du proton et du neutron qui forment l'atome, d'autres particules ont été trouvées tout au long de l'histoire de l'activité physique (muon, caon, pion, positron, ...). Quand on découvrait une nouvelle particule, le physicien se réjouissait de la découverte qu'on obtenait d'un côté, et de l'autre, ils voyaient le monde de plus en plus compliqué. Ainsi est née la physique des particules et son utilisation jusqu'à présent a été limitée à la cosmologie et à l'astrophysique, mais nous espérons qu'elle aura une utilisation pratique non seulement comme source d'énergie si nécessaire et pratique pour l'être humain, mais aussi pour d'autres besoins humains.

Note: Cet article a été rédigé à la mi-avril et nous allons essayer d'informer les nouvelles qui seront produites depuis lors sur ce sujet.

Dans cette image F. C. Les quatre étapes du processus de fusion indiqué par FRANK sont expliquées.
La première réaction du processus 2 libère 4 MeV d'énergie, tandis que la seconde libère 3,25 MeV. Par conséquent, du point de vue du bilan énergétique, le deuxième processus serait le plus probable, car il est celui qui génère plus d'énergie. Cependant, nous devrons attendre jusqu'en mai, pour connaître les détails de l'expérience de Pons et Fleischmann, pour savoir lequel des deux processus se produit.