Notre système solaire est héliocentrique, ce qui signifie qu'il est centré sur le Soleil. Sans le Soleil, la vie telle que nous la connaissons ne pourrait exister sur Terre. Le Soleil fournit la chaleur, la lumière et l'énergie nécessaire aux plantes pour la photosynthèse, qui est à la base de toutes les chaînes alimentaires du monde. Mais quelle est la source d'énergie du Soleil ?
La réponse, c'est la fusion ! Le Soleil est composé d'environ \( 75 \% \) d'hydrogène et \( 25 \% \) d'hélium. Grâce à la fusion nucléaire, le Soleil transforme l'hydrogène en hélium, libérant ainsi de la lumière et de la chaleur.
- Ce résumé de cours porte sur la fusion nucléaire.
- Nous commencerons par expliquer ce que signifient les termes noyau atomique, atomes d'hydrogène, deutérium et tritium.
- Puis, nous te présenterons la réaction nucléaire.
- Nous verrons ensuite la définition de la fusion et la fission nucléaire.
- Après, nous allons explorer la réaction thermonucléaire.
- Enfin, nous montrerons la différence entre la fusion et la fission nucléaire.
Qu'est-ce que le noyau atomique ?
Le noyau atomique est le centre sphérique, petit et dense, d'un atome. Le noyau contient deux particules subatomiques : les protons et les neutrons.
Le noyau atomique contient deux particules subatomiques différentes : les protons et les neutrons.
Les protons ont une charge positive et le nombre de protons présents détermine l'identité de l'élément dont l'atome fait partie.
Les neutrons ont une charge neutre. Leur fonction première est d'offrir une masse à l'atome. Ils sont également la particule impliquée dans la désintégration nucléaire.
Atomes d’hydrogène
L'atome d'hydrogène est le plus simple de tous les atomes : il est constitué d'un seul proton et d'un seul électron.
La forme la plus courante de l'atome d'hydrogène est le protium \( _{1}^{1}H \) , mais il existe deux autres isotopes de l'hydrogène : le deutérium et le tritium.
Le deutérium et le tritium sont des isotopes de l'hydrogène. Un isotope est un atome ayant le même nombre de protons, mais un nombre différent de neutrons. Comme son nom l'indique, un deutérium est identique à un atome d'hydrogène, mais il possède deux neutrons et un tritium en possède trois.
Fig. 1- Structure de protium et deuterium.
Deutérium \( _{1}^{2}H \)
Le deutérium également appelé hydrogène lourd, est l'isotope de l'hydrogène dont le noyau est constitué d'un proton et d'un neutron, soit le double de la masse du noyau de l'hydrogène ordinaire (un proton).
L'eau lourde est enrichie de molécules composées de deutérium au lieu de protium. Elle est utilisée comme liquide de refroidissement et comme modérateur de neutrons. Le deutérium est également utilisé comme combustible dans la fusion nucléaire (commerciale). Il existe à l'état naturel sous forme de gaz deutérium.
Tritium \( _{1}^{3}H \)
Le tritium est l'isotope de l'hydrogène dont le poids atomique est d'environ \( 3 \ uma \) . Son noyau, composé d'un proton et de deux neutrons, a une masse triple de celle du noyau atomique de l'hydrogène ordinaire.
Qu'est-ce qu'une réaction nucléaire ?
La réaction nucléaire est le processus dans lequel un ou plusieurs nucléides sont produits à partir des collisions entre deux noyaux atomiques ou entre un noyau atomique et une particule subatomique.
Les nucléides produits par les réactions nucléaires sont différents des noyaux qui réagissent (communément appelés noyaux parents).
Les deux principaux types de réactions nucléaires sont les réactions de fission nucléaire et les réactions de fusion nucléaire.
La fission nucléaire
La fission nucléaire est la division d'un noyau atomique en deux noyaux ou en noyaux plus légers. Ce processus peut se produire par une réaction nucléaire ou par désintégration radioactive.
Les réactions de fission nucléaire libèrent souvent une grande quantité d'énergie, qui s'accompagne de l'émission de neutrons et de rayons gamma (photons contenant d'énormes quantités d'énergie, suffisantes pour faire tomber les électrons des atomes).
Un exemple important de fission nucléaire est la division du noyau d'uranium \( 235 \) lorsqu'il est bombardé par des neutrons. Divers produits peuvent être formés à partir de cette réaction nucléaire, comme décrit dans les équations ci-dessous.
\( ^{235}U +^{1}n \rightarrow ^{141}Ba + ^{92}Kr +{3} \ ^{1}n \)
\( ^{235}U +^{1}n \rightarrow ^{144}Xe + ^{90}Sr +{2} \ ^{1}n \)
\( ^{235}U +^{1}n \rightarrow ^{146}La + ^{87}Br +{3} \ ^{1}n \)
\( ^{235}U +^{1}n \rightarrow ^{137}Te + ^{97}Zr +{2} \ ^{1}n \)
\( ^{235}U +^{1}n \rightarrow ^{137}Cs + ^{96}Rb +{3} \ ^{1}n \)
La fusion nucléaire
La fusion nucléaire est la combinaison ou la fusion d'au moins deux noyaux atomiques en un seul noyau.
Des particules subatomiques telles que des neutrons ou des protons sont également formées comme produits dans ces réactions nucléaires.
Fig.2- Schéma montrant la fusion de deux isotopes de l'hydrogène, le deutérium et le tritium, qui fusionnent pour former de l'hélium.
La réaction de fusion nucléaire entre le deutérium \( ^{2}_1H \) et le tritium \( ^{3}_1H \) qui produit de l'hélium \( ^{4}_2He \) et un neutron \( ^{1}_0n \) .
De telles réactions de fusion se produisent au cœur du soleil et d'autres étoiles. La fusion des noyaux de deutérium et de tritium s'accompagne d'une perte d'environ \( 0{,}0188 \) \( uma \) de masse (qui est entièrement convertie en énergie). Environ \( 1{,}69 \times 10^{9} \) kilojoules d'énergie sont générés pour chaque mole d'hélium formée.
Qu'est-ce qu'une réaction thermonucléaire ?
La réaction thermonucléaire est la fusion de deux noyaux atomiques légers en un seul noyau plus lourd par une collision des deux particules en interaction à haute température, ce qui libère une grande quantité d'énergie.
La fusion thermonucléaire désigne les réactions de fusion nucléaire qui ont lieu à des températures extrêmement élevées par exemple les réactions dans le soleil. L'énergie produite ici est extrêmement élevée, mais de telles réactions ne peuvent être contrôlées. Si nous parvenons à créer les conditions dans lesquelles une telle réaction peut avoir lieu tout en contrôlant sa vitesse, nous pouvons alors réaliser ce que l'on appelle la fusion thermonucléaire contrôlée.
Dans un état non contrôlé, ces types de réactions donnent lieu à des forces destructives. La bombe à hydrogène est un exemple de réaction de fusion incontrôlée. Un autre facteur de différenciation entre les réactions de fusion contrôlées et non contrôlées est que, puisque les conditions sont imprévisibles dans une réaction non contrôlée, elles ne peuvent être exploitées pour aucune utilisation.
Une autre question à prendre en compte dans une réaction thermonucléaire contrôlée est celle de son confinement.
La température du plasma chaud est si élevée qu'il ne peut être en contact avec aucun matériau. Il faut donc le contrôler, mais de manière à ce qu'il n'y ait aucun contact.
La fusion nucléaire dans l'univers
Toutes les étoiles de l'univers, y compris le soleil, vivent grâce à la fusion nucléaire. C'est grâce à ce processus qu'elles produisent une énorme quantité de chaleur et d'énergie. La pression au cœur d'une étoile est extrêmement élevée, et c'est là que se produit la réaction de fusion nucléaire.
Par exemple, la température au cœur du soleil est d'environ \( 15 \) millions de degrés Celsius. À cette température, associée à une pression très élevée, deux isotopes d'hydrogène, le deutérium et le tritium, fusionnent pour former de l'hélium et libèrent une quantité massive d'énergie sous forme de chaleur. Environ \( 600 \) millions de tonnes d'hydrogène sont transformées en hélium chaque seconde dans le soleil. Les réactions qui ont lieu dans le soleil sont un exemple de fusion nucléaire.
Quelle est la différence entre la fission et la fusion nucléaire ?
Le tableau ci-dessous présente les principales différences entre les réactions de fusion et de fission.
| Fission nucléaire | Fusion nucléaire |
| La fission nucléaire est une réaction nucléaire qui divise un atome lourd en plusieurs atomes plus petits. | La fusion nucléaire est une réaction nucléaire qui combine deux ou plusieurs petits atomes pour former un grand atome. |
| Il ne se produit pas naturellement. | L'univers est rempli d'exemples de réactions de fusion nucléaire. Chaque étoile l'utilise pour produire de l'énergie. |
| Il produit une grande quantité d'énergie. | Produit plus d'énergie que la réaction de fission. |
| Il ne faut pas beaucoup d'énergie pour séparer un atome en deux. | Il faut beaucoup de chaleur et de pression pour que le processus se produise. |
Fusion nucléaire - Points clés
- Le noyau atomique est le centre sphérique d'un atome, il contient deux particules subatomiques : les protons et les neutrons.
- L'atome d'hydrogène est le plus simple de tous les atomes : il est constitué d'un seul proton et d'un seul électron.
- La forme la plus courante de l'atome d'hydrogène est le protium \( _{1}^{1}H \) , mais il existe deux autres isotopes de l'hydrogène : le deutérium \( _{1}^{2}H \) et le tritium \( _{1}^{3}H \) .
- La réaction nucléaire est le processus dans lequel un ou plusieurs nucléides sont produits à partir des collisions entre deux noyaux atomiques ou entre un noyau atomique et une particule subatomique.
- La fission nucléaire est une réaction nucléaire qui divise un atome lourd en plusieurs atomes plus petits.
- La fusion nucléaire est définie comme une réaction nucléaire qui combine deux ou plusieurs petits atomes pour former un grand atome.
- La fusion thermonucléaire désigne les réactions de fusion nucléaire qui ont lieu à des températures extrêmement élevées par exemple les réactions dans le soleil.
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Questions fréquemment posées en Fusion nucléaire
Quand se produit la fusion nucléaire ?
La fusion nucléaire se produit lorsque les conditions de haute température (environ 100 millions de degrés Celsius) et pression seront réalisables sur la terre avec le plus moins d'énergie utilisable.
Est-ce que la fusion nucléaire est dangereuse ?
La fusion nucléaire n’est pas dangereuse et le processus est intrinsèquement sécurisé. Dans un réacteur à fusion, il n'y a qu'une quantité limitée de combustible (moins de quatre grammes) à un moment donné. La réaction repose sur un apport continu de combustible ; si ce processus est perturbé, la réaction s'arrête immédiatement.
Quel est l'avantage de la fusion nucléaire ?
L'avantage de la fusion nucléaire, c'est qu’elle représente une source d'énergie à long terme, durable, économique et sûre pour la production d'électricité.
Quels sont les inconvénients de la fusion nucléaire ?
Les inconvénients de la fusion nucléaire sont l'ampleur du coût d'investissement du réacteur centrale et la durée de vie limitée de la cuve du réacteur.
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