Le mélange Deutérium-Tritium
Le mélange deutérium-tritium est le carburant principal de la fusion nucléaire. Ces deux composants sont des isotopes peu ordinaires de l’hydrogène. Les réactions de fusion qui dégagent le plus d’énergie sont celles qui impliquent les noyaux les plus légers. Ainsi les noyaux de deutérium (un proton et un neutron) et de tritium (un proton et deux neutrons) sont impliqués dans les réactions suivantes :
- deutérium + deutérium → (hélium3 + 0,82 MeV(1.31.10-13 joules)) + (neutron + 2,45 MeV(3.93.10-13 joules))
- deutérium + deutérium → (tritium + 1,01 MeV(1.62.10-13 joules)) + (proton + 3,03 MeV(4.85.10-13 joules))
- deutérium + tritium → (hélium 4 + 3,52 MeV(5.64.10-13 joules)) + (neutron + 14,06 MeV(2.25.10-12 joules))
- deutérium + hélium 3 → (hélium 4 + 3,37 MeV(5.88.10-13 joules)) + (proton + 14,67 MeV(2.35.10-13 joules))
On remarque que la combinaison la plus intéressante est de faire fusionner le deutérium et le tritium, fusion qui dégage le plus d'énergie par rapport à leur force de répulsion. Rapprocher le Deutérium et le Tritium est le plus évident car leur répulsion est une des plus faible, compte tenu de leurs faibles charges électriques.
Ces deux éléments sont nécessaires à la fusion. Ils doivent donc être facilement exploitables et présents en grande quantité sur Terre. C'est le cas du Deutérium. Il se trouve dans l'eau de mer à raison de 33 g par m3. Son extraction se fait par électrolyse de l'eau (l'électrolyse sert à réaliser une décomposition chimique de certaines substances sous l'effet d'un courant électrique).
Le Tritium est quasiment inexistant sur Terre car il ne peut être produit naturellement que par l'action des rayons cosmiques et n'a une durée de demi-vie que de 12 ans. Il est donc produit en petite quantité et se désintègre rapidement, étant très instable. La solution à ce problème est de créer le tritium nécessaire à la fusion dans l'enceinte même du réacteur. Pour cela, on utilisera les neutrons dégagés lors de la fusion des éléments. Les neutrons entreront en contact avec l'enveloppe du réacteur constituée de lithium. Lorsque qu'un neutron entre en collision avec un atome de lithium, il s'en dégage un atome de Tritium.
(Équation de réaction: neutron rapide + lithium 6 = tritium + hélium)
Comparaison avec le pétrole:
Nous allons essayer de comparer le pouvoir énergétique du pétrole et celui du Deutérium.
La constante d'Avogadro vaut 6,02 x10e23 entités par mol (N). La masse molaire atomique (M) du deutérium est d'environ 2 g.mol-1. Sachant qu'il est possible d'extraire 33 mg (m) de deutérium d'un litre d'eau de mer, nous allons calculer en joules l'énergie obtenue à partir du deutérium extrait d'un mètre-cube d'eau de mer.
Quantité de matière de deutérium dans un litre d'eau : masse / masse molaire = Nombre de mole
m / M = n
0,033 / 2 = 1,65 x10e-2 mol dans 1 L d'eau
1 m3 = 1000 L soit n = 16,5 mol de deutérium extrait par m3 d'eau de mer.
Nombre d'atomes de deutérium dans un m3 d'eau de mer : Nombre d'atomes = mol x mol-1
Nombre atomes = n x N = 16,5 x (6,02 x10e23) = 9,933 x10e24 atomes.
Energie libérée par 9, 933 x10e24 atomes lors d'une fusion : Puissance d'une réaction de fusion x nombre d'atomes = Puissance total (en Joule)
(2,696 x10e-12) x ( 9,933 x10e24) = 2,6780 x10e13 J.
Sachant que le pouvoir énergétique du pétrole vaut 42,0 MJ.kg-1 soit 42,0 MJ.m3 de pétrole:
On a donc : 42,0 MJ = 4,2 x10e7 J
2,7 x10e13 / 4,2 x10e7 = 6.4 x10e5 kg
On peut conclure qu'un litre d'eau de mer peut dégager, si l'on en extrait le Deutérium, la même puissance énergétique que 640 tonnes de pétrole.
Ces deux éléments sont nécessaires à la fusion. Ils doivent donc être facilement exploitables et présents en grande quantité sur Terre. C'est le cas du Deutérium. Il se trouve dans l'eau de mer à raison de 33 g par m3. Son extraction se fait par électrolyse de l'eau (l'électrolyse sert à réaliser une décomposition chimique de certaines substances sous l'effet d'un courant électrique).
Le Tritium est quasiment inexistant sur Terre car il ne peut être produit naturellement que par l'action des rayons cosmiques et n'a une durée de demi-vie que de 12 ans. Il est donc produit en petite quantité et se désintègre rapidement, étant très instable. La solution à ce problème est de créer le tritium nécessaire à la fusion dans l'enceinte même du réacteur. Pour cela, on utilisera les neutrons dégagés lors de la fusion des éléments. Les neutrons entreront en contact avec l'enveloppe du réacteur constituée de lithium. Lorsque qu'un neutron entre en collision avec un atome de lithium, il s'en dégage un atome de Tritium.
(Équation de réaction: neutron rapide + lithium 6 = tritium + hélium)
Comparaison avec le pétrole:
Nous allons essayer de comparer le pouvoir énergétique du pétrole et celui du Deutérium.
La constante d'Avogadro vaut 6,02 x10e23 entités par mol (N). La masse molaire atomique (M) du deutérium est d'environ 2 g.mol-1. Sachant qu'il est possible d'extraire 33 mg (m) de deutérium d'un litre d'eau de mer, nous allons calculer en joules l'énergie obtenue à partir du deutérium extrait d'un mètre-cube d'eau de mer.
Quantité de matière de deutérium dans un litre d'eau : masse / masse molaire = Nombre de mole
m / M = n
0,033 / 2 = 1,65 x10e-2 mol dans 1 L d'eau
1 m3 = 1000 L soit n = 16,5 mol de deutérium extrait par m3 d'eau de mer.
Nombre d'atomes de deutérium dans un m3 d'eau de mer : Nombre d'atomes = mol x mol-1
Nombre atomes = n x N = 16,5 x (6,02 x10e23) = 9,933 x10e24 atomes.
Energie libérée par 9, 933 x10e24 atomes lors d'une fusion : Puissance d'une réaction de fusion x nombre d'atomes = Puissance total (en Joule)
(2,696 x10e-12) x ( 9,933 x10e24) = 2,6780 x10e13 J.
Sachant que le pouvoir énergétique du pétrole vaut 42,0 MJ.kg-1 soit 42,0 MJ.m3 de pétrole:
On a donc : 42,0 MJ = 4,2 x10e7 J
2,7 x10e13 / 4,2 x10e7 = 6.4 x10e5 kg
On peut conclure qu'un litre d'eau de mer peut dégager, si l'on en extrait le Deutérium, la même puissance énergétique que 640 tonnes de pétrole.