L’énergie de fusion a le potentiel de fournir une énergie sûre, propre et presque illimitée. Bien que les réactions de fusion puissent se produire pour des noyaux légers pesant moins que le fer, la plupart des éléments ne fusionneront pas à moins de se trouver à l’intérieur d’une étoile. Pour créer des plasmas brûlants dans les réacteurs expérimentaux à fusion tels que les tokamaks et les stellarators, les scientifiques recherchent un combustible relativement facile à produire, à stocker et à amener à la fusion. Le combustible deutérium-tritium est actuellement le meilleur choix pour les réacteurs à fusion. Ce combustible atteint les conditions de fusion à des températures plus basses par rapport aux autres éléments et libère plus d’énergie que les autres réactions de fusion.
Le deutérium et le tritium sont des isotopes de l’hydrogène, l’élément le plus abondant de l’univers. Alors que tous les isotopes de l’hydrogène possèdent un proton, le deutérium possède également un neutron et le tritium deux neutrons, de sorte que leurs masses ioniques sont plus lourdes que le protium, l’isotope de l’hydrogène sans neutrons. Lorsque le deutérium et le tritium fusionnent, ils créent un noyau d’hélium, qui possède deux protons et deux neutrons. La réaction libère un neutron énergétique. Les centrales à fusion convertiraient l’énergie libérée par les réactions de fusion en électricité pour alimenter nos maisons, nos entreprises et nos autres besoins.
Heureusement, le deutérium est commun. Environ 1 atome d’hydrogène sur 5 000 dans l’eau de mer se trouve sous forme de deutérium. Cela signifie que nos océans contiennent plusieurs tonnes de deutérium. Lorsque l’énergie de fusion deviendra une réalité, un seul gallon d’eau de mer pourrait produire autant d’énergie que 300 gallons d’essence.
Le tritium est un isotope radioactif qui se désintègre relativement rapidement (il a une demi-vie de 12 ans) et est rare dans la nature. Heureusement, l’exposition de l’élément plus abondant qu’est le lithium à des neutrons énergétiques dans un réacteur à fusion peut générer du tritium. Une centrale à fusion qui fonctionne pourrait potentiellement utiliser le lithium pour engendrer le tritium dont elle a besoin pour clore le cycle du combustible deutérium-tritium puisque le lithium peut être obtenu à partir de la croûte terrestre via l’extraction de minerais et des déserts de sel.
DOE Office of Science : Contributions au combustible deutérium-tritium
Une partie de la mission du programme Fusion Energy Sciences (FES) du Department of Energy Office of Science consiste à développer une source d’énergie de fusion pratique. FES travaille avec le programme Advanced Scientific Computing Research en utilisant le calcul scientifique pour faire progresser la science de la fusion et comprendre l’effet de la masse ionique sur divers phénomènes de plasma. Dans les installations des utilisateurs de l’Office of Science, comme le tokamak DIII-D et le tokamak sphérique NSTX-U, les scientifiques étudient l’impact de la masse ionique sur le confinement, le transport et la turbulence du plasma. Le confinement des produits de fusion tels que l’ion hélium est également étudié en présence de champs magnétiques hélicoïdaux. Le programme de physique nucléaire de l’Office of Science développe la science nucléaire fondamentale qui sous-tend la compréhension de la fusion en créant des bases de données de réactions nucléaires, en générant des isotopes nucléaires et en élucidant les aspects de la nucléosynthèse.
Faits sur le combustible deutérium-tritium
- L’eau fabriquée à partir de deutérium est environ 10 % plus lourde que l’eau ordinaire. C’est pourquoi on la qualifie parfois d' »eau lourde ». Elle va effectivement couler au fond d’un verre d’eau ordinaire.
- Les sources de tritium sur Terre comprennent la production naturelle issue des interactions avec les rayons cosmiques, les réacteurs de fission nucléaire producteurs d’énergie comme le réacteur CANDU à eau lourde, et les essais d’armes nucléaires.
- Pour éviter certains défis R&D, notamment les dommages aux matériaux structurels causés par les neutrons énergétiques, les scientifiques de la fusion s’intéressent également aux réactions de fusion aneutronique (comme la fusion deutérium-hélium-3 et la fusion proton-bore), même si ces réactions de fusion se produisent à des températures ioniques plus élevées que pour le deutérium et le tritium.
Ressources et termes associés
- Comment fonctionne l’énergie de fusion ?
- Programme des sciences de l’énergie de fusion de l’Office of Science du DOE américain
- Science Up-Close : Developing a Cookbook for Efficient Fusion Energy
- Fusion Research Ignites Innovation
Acknowledgements
Matthew Lanctot (U.S. DOE Office of Science)