Une empreinte de fusion ?

2002/05/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Energia

Les combustibles fossiles ne seront pas pour toujours. Le pétrole et le charbon ont été brûlés depuis longtemps et finiront jamais. Par exemple, dans la croyance que le pétrole était sur le point de se terminer, il y a eu des crises dans le domaine énergétique. Cependant, en cherchant plus ou moins en profondeur on a toujours trouvé une autre source jusqu'à présent, mais comme notre consommation augmente, jusqu'à quand cette situation se prolongera-t-elle? Certains disent que le combustible fossile sera épuisé vers 2200.

Il existe deux types principaux de combustibles alternatifs : les énergies renouvelables et le nucléaire. Les énergies renouvelables (solaire, éolienne, hydrothermale, etc.) sont écologiquement excellents, donc beaucoup d'argent est investi dans cette technologie. Cependant, les énergies renouvelables ne sont pas encore prêtes à faire face à la consommation de notre société. Par conséquent, dans de nombreux villages, un pari clair a été fait sur l'énergie nucléaire.

Fission et fusion

Utiliser de l'énergie nucléaire est une bonne solution ? Le débat est en butte, car d'un point de vue il est clair que oui et d'un autre clair que non. Les centrales nucléaires permettent de produire plus d'énergie que nécessaire pour notre consommation, mais les produits qui interviennent dans le processus et les déchets radioactifs qu'il génère sont très dangereux. Cependant, quand on parle d'énergie nucléaire, on parle de fission nucléaire en général. Mais il y a un autre processus nucléaire, la fusion. Que sont les deux ?

Les deux ont à voir avec le noyau de l'atome. La fission est "briser" grands noyaux. Par conséquent, la matière première pour ce processus est l'uranium, le plus grand atome de la nature. Cependant, tous les noyaux d'uranium ne sont pas facilement fissibles : les isotopes radioactifs sont indispensables pour réaliser ce processus. L'uranium est "enrichi" dans ces isotopes. Une autre solution est de faire artificiellement des atomes plus lourds que l'uranium, comme le plutonium. Tous les isotopes du plutonium sont radioactifs, un élément unique pour la fabrication de bombes atomiques. Dans les centrales de production d'électricité, cependant, la fission a de grands problèmes, principalement parce que les déchets qui sortent du réacteur sont également radioactifs.

L'utilisation de la fission nucléaire dans les centrales génère de nombreux problèmes de sécurité et de déchets.

La fusion est un processus opposé, c'est-à-dire l'union et l'union de deux petits atomes. L'énergie libérée par ce processus est beaucoup plus grande que celle de la fission, en plus d'avoir comme matière première de petits atomes non dangereux, des isotopes de l'hydrogène. Ce type d'hydrogène, appelé deutérium, est très abondant en mer. Cependant, pour que la fusion se produise, il faut lui donner une énergie supplémentaire. La quantité résultante est beaucoup plus grande, mais l'activation du processus nécessite beaucoup d'énergie. Par exemple, les pompes à hydrogène qui se sont développées après la Seconde Guerre mondiale (c'est-à-dire les pompes à fusion) devaient utiliser une petite pompe à fission pour « les mettre en marche ». Cela signifie que pour faire exploser la pompe H doit prendre l'énergie d'activation d'une autre pompe comme celle lancée à Hiroshima.

Recherche énergétique - Recherche énergétique

Il n'était donc pas possible d'exploiter la fusion pour produire de l'électricité. Si la fusion pouvait se produire à une température contrôlable, le problème des centrales nucléaires conventionnelles pourrait être résolu. Beaucoup de projets ont à voir avec cette recherche: JET dans l'Union européenne, JT-60U au Japon et NOVA, TFTR et DIII-D aux États-Unis.

En 1985, l'Union soviétique a proposé un projet international de recherche de fusion. Ce projet, appelé ITER, a été lancé en collaboration avec l'Union européenne, le Japon et les États-Unis. L'objectif était d'étudier la prochaine étape logique des recherches de l'époque : étudier la physique du plasma à haute température sur l'échelle des grands réacteurs. Projet en cours. Selon les résultats obtenus, en plus de provoquer la fusion, ils espèrent s'adapter pour produire de l'électricité.

Explosion atomique.

En 1992, le Canada et le Kazakhstan ont également rejoint le projet de la main de l'Europe et de la Russie, qui avait déjà disparu de l'Union soviétique. Les États-Unis ont abandonné le projet fin 1999.

En général, trois stratégies de fusion ont été testées. La grande énergie d'activation est de surmonter les forces de répulsion internucléaires, chargées positivement et difficiles à collision, qui doivent en quelque sorte être « forcé » pour aller au même endroit. Les trois formes habituelles de l'obtenir sont celles de champ magnétique, champ gravitationnel et moment d'inertie.

Le Soleil, par exemple, fusionne les atomes d'hydrogène parce que son champ gravitationnel est très grand. Plusieurs expériences ont cherché à créer des « étoiles de laboratoire ». D'autres fois sont contrôlés avec de grands champs magnétiques pour que les atomes puissent causer le choc des noyaux et, finalement, ont été les moyens de la grande pression exercée par l'inertie.

Dans ces trois types d'expériences, les atomes sont en état de plasma, c'est-à-dire comme des fluides de particules chargées. Le plasma conduit de l'électricité et peut également être contrôlé par des champs magnétiques. Avant de connaître la recherche finale, seule cette situation de fusion était considérée comme adéquate.

Schéma de la dernière expérience conçu pour provoquer la fusion.

Science Science

Expériences étonnantes

Les physiciens Martin Fleischmann et Stanley Pons ont annoncé en 1989 qu'ils ont réussi une fusion froide (à température de laboratoire). L'annonce n'a pas été faite dans des publications scientifiques mais dans des médias habituels. En outre, l'expérience n'a pas pu être répétée, de sorte que cette recherche a été considéré comme un grand échec.

En mars, le magazine Science a dévoilé une expérience de fusion froide. Le physicien américain Rusi Taleyarkhan du laboratoire Oak Ridge a introduit l'acétone au lieu de l'hydrogène dans un récipient cylindrique et l'a bombardée par des ondes sonores. Dans le même temps, il a bombardé principalement une gamme de neutrons à grande vitesse. De cette façon, des bulles d'un millimètre de diamètre ont été formées qui ont interagi avec des deutères qui sont censés devenir fusion. Cette technique, appelée cavitation acoustique, est indépendante des techniques utilisées précédemment.

Numéro du magazine Science dans lequel la dernière expérience a été publiée.

Deux atomes de deutérium créent, par fusion, un atome d'hélium et un neutron. Mais ce n'est pas ce que les scientifiques ont vu. En fait, dans un même processus, le tritium et les protons peuvent être formés, mais sans fusion. Les chercheurs affirment qu'il y a eu des neutrons et du tritium, c'est-à-dire que les deux réactions ont eu lieu, annonçant ainsi qu'une fusion a eu lieu.

Un des produits de l'expérience a été le neutron, mais l'autre le tritium. Par conséquent, la question est restée dans l'air. Est-ce que la fusion s'est réellement produite ou n'a surgi que tritium ?

Les éditeurs du magazine Science décident de publier l'article. Pensez-vous donc que la fusion a vraiment eu lieu? Ce magazine, comme tous les magazines de recherche, ne publie pas d'articles sans le jugement d'experts en la matière. C'est ce qu'a fait le magazine Science avec l'article de la fusion.

Ces experts ont demandé la détection de neutrons avec un détecteur plus précis. Les physiciens américains Dan Shapira et Michael Saltmarsh ont alors essayé de répéter l'expérience de Taleyarkhan avec ce détecteur et n'ont pas détecté de neutrons. Ils ont conclu que la fusion ne se produit pas. Mais d'autres scientifiques ont également critiqué cette dernière expérience.

Il a été décidé d'informer dans la revue Science de la fusion froide, décision justifiée dans la maison d'édition. L'éditeur Donald Kennedy explique la polémique suscitée. En acceptant ce débat, les éditeurs ont défendu la nécessité d'informer ce type de recherche et que dans ces cas, les critères ne doivent pas être très stricts.

Science a dit, mais le débat est vivant.

Le Soleil sait comment le faire

La fusion dans les étoiles est facile. En fait, les combustibles sont de grandes quantités d'hydrogène, dans lequel progressivement de nouveaux éléments atomiques se forment. Dans la réaction de fusion plus proportionnelle, l'hélium est généré à partir des atomes d'hydrogène.

Pour obtenir l'hélium à partir de l'hydrogène, trois réactions de fusion se produisent:

L'union de deux protons dans le premier donne lieu à un noyau deutérien, c'est-à-dire à une structure de protons neutrons. Cela signifie qu'un proton est devenu neutron, processus qui est compensé par la libération d'un positron et d'énergie. En définitive, un morceau de matière est devenu énergie.

Pour voir cette photo, vous pouvez aller au pdf.

Le deutérium formé dans la première réaction réagit avec un autre proton dans la seconde pour former un noyau de l'atome hélium-3. Ce processus libère également de l'énergie sous forme de chaleur et de rayonnement (rayons gamma). Helio-3 n'est pas l'isotope le plus stable de l'hélium, mais le processus n'est pas interrompu. La troisième réaction consiste en la réorganisation entre deux noyaux d'hélium-3, un seul hélium-4, pour fournir deux protons et énergie.

L'énergie est libérée dans les trois processus. Il faut garder à l'esprit que pour la troisième réaction, les deux précédentes ont dû se produire deux fois. La plupart sont l'énergie thermique, mais il est également généré rayonnement gamma. Cette énergie provient de la matière, comme l'annonçait la théorie spéciale de la relativité d'Einstein.

E = mc 2

Cette formule permet de calculer facilement qu'un gramme de matière, lorsqu'il est transformé en énergie, libère 9 x 10-13 joules.

E = (10 -3 kg) (3 x 10 8 m/s 2 ) 2 = 9 x 10 -13 joules

Bien que ce nombre est difficile à interpréter, avec d'autres comparaisons, vous pouvez voir que c'est beaucoup d'énergie. Si la fusion se faisait à partir du deutérium et ce deutérium hors des eaux marines, 50 verres d'eau de mer apporteraient une énergie équivalente à 2 tonnes de charbon.

Les quantités d'énergie sont produites dans ces proportions dans le soleil et les étoiles similaires. Mais dans le laboratoire, les scientifiques ont essayé pendant des années d'influencer la fusion à partir des atomes de deutérium et de tritium. Comme déjà indiqué, le deutérium se trouve dans les eaux marines et le tritium peut être obtenu du lithium métallique bombardant de neutrons.

Maintenant, dans l'expérience du laboratoire Oak Ridge, il est parti de l'acétone endettée pour provoquer la fusion. Bien qu'ils aient réussi, ils ont produit beaucoup moins d'énergie que celle obtenue à partir du deutérium et du tritium, environ un quart.