Fusion | Dr. Goulu

Fusion thermonucléaire amusante

Tue, 08 Mar 2016 00:00:00 +0000

cliquez pour jouer en ligne !

Grâce à , je viens de découvrir une variante addictive et nucléaire du fameux à la mode il y a deux ans : .

Ce jeu permet de se familiariser avec la : il s’agit de provoquer la d’atomes de plus en plus lourds à partir de l’Hydrogène, jusqu’à fabriquer un atome de

Malgré les apparences, le jeu est très différent du “2048”. Pour commencer, on n’additionne pas les atomes comme des puissances de deux.

Les règles de fusion des atomes sont représentées dans le graphe ci-contre (fait avec ) . Comme on le voit, le 4Helium (He4) est un ingrédient indispensable: il faut en produire autant que possible. A l’inverse, le 24Magnesium est un piège à éviter car une fois synthétisé, on ne peut rien en faire.

Ensuite, certains atomes sont instables et se transmutent en d’autres au bout d’un nombre de coups indiqué dans une pastille verte. Il faut donc se dépêcher de combiner du Be8 avec un He4 pour produire du C12 avant que le Be8 ne se désintègre en He4. Et si on produit du Be7 par erreur, il n’y a plus qu’à attendre qu’il fasse de même. Idem pour le Ne20 qui finira par produire du très utile O16, mais il faut veiller à ce qu’il ne rencontre pas un He4 pendant sa “demi-vie” sous peine de tomber dans le piège du magnésium. Enfin, une fois le Fe52 produit il faut très vite lui ajouter un He4 pour produire du Ni56 sans quoi on retombe au Cr48. Et une fois le Ni56 synthétisé, il faut encore être capable de jouer quelques coups en attendant qu’il transmute en Fe56 victorieux.

Comme le disent les auteurs et cette nucléosynthèse est simplifiée pour rendre le jeu jouable (mais difficile), mais correspond le mieux possible aux processus de fusion actifs dans les vieilles étoiles.

Je trouve très intéressante cette combinaison d’une interface utilisateur ultra-simple avec un processus physique pas intuitif du tout. Le résultat est vraiment prenant (je n’ai pas encore gagné …) Je ne sais pas si les joueurs apprennent véritablement quelque chose sur la nucléosynthèse, mais peut-être que ce jeu peut générer de l’intérêt pour ce mécanisme fondamental de l’Univers.

Accessoirement je vais regarder de plus près, car j’ai toujours en réserve l’idée d’un jeu sur la qui pourrait s’inspirer de Fe

\[26\]

. S’il y a un programmeur JavaScript intéressé à collaborer dans la salle…

Comment transformer le plomb en or ?

Fri, 15 Mar 2013 00:00:00 +0000

Une fois de plus ma paresse me pousse à traduire un répondant à la question suivante:

Avec la technologie moderne, sommes-nous plus près de transformer le plomb en or que les alchimistes il y a quelques siècles ?

La question originale était : “Avec la technologie actuelle, est-il maintenant possible de transformer le plomb en or, ou n’importe quel élément en une autre ? Quelles transmutations les anciens alchimistes auraient-ils du tenter pour aboutir à un succès ?

Réponse du Physicien : le plomb en or, non. Mais on peut changer quelques éléments en d’autres. Le rendement est extraordinairement faible, et le processus est prohibitivement coûteux. Avant la fin du XIXème siècle, personne n’avait observé un élément se transformant en un autre, et jusqu’au XXème il n’y avait aucun équipement sur Terre qui ait eu la moindre chance de changer (volontairement) un élément en un autre.

En remontant au temps où les chimistes (ou ) sont devenus capables de purifier des échantillons et de fabriquer des produits variés, ils ont eu la prétention de transformer des matières en d’autres.

Mais alors que vous pouvez utiliser des réactions chimiques pour transformer l’hydrogène et l’oxygène en eau, ou de la farine et de l’eau en pain, il n’y a aucune combinaison de produits et de réactions chimiques qui ne peut ne serait-ce que commencer à un élément en un autre. Les alchimistes de cette époque, inconscients de ceci, furent très excités par la transformation du plomb en or, la et la création de vie à partir de rien. Nombre d’entre eux étaient des de leur temps, dont nous, scientifiques d’aujourd’hui, avons hérité certains , mais pour l’essentiel pas les méthodes.

Newton se passionnait pour l’alchimie. Il inventa le calcul infinitésimal et fonda la physique moderne, mais il chercha aussi le Saint Graal et poursuivit d’autres projets un peu fous.

Les diverses molécules chimiques sont différentes car elles utilisent différentes combinaisons des éléments, mais les éléments et leurs diffèrent entre eux par le nombre de protons et de neutrons qui forment leur noyau atomique.

Il y a trois principales manières de changer le nombre de protons et de neutrons d’un noyau atomique : la fusion, la et le bombardement par des neutrons.

La fusion, c’est tout un art…

En pratique, . A ce jour, nous avons réussi à fusionner du deutérium (isotope de l’hydrogène) en hélium, ce qui est la fusion la plus facile. Et encore nous y arrivons de justesse, au milieu de très grosses bombes. Pour produire de l’or par fusion comme , il nous faudrait une supernova, ce qui n’est pas dans nos moyens.

Beaucoup d’atomes ont un noyau instable qui va parfois faire “pop” en se transformant en un autre élément ou isotope. Donc techniquement, être patient est une manière de transformer un échantillon d’une matière en une autre.

Commencez avec de l’Uranium 235, attendez quelques milliards d’années, et vous obtiendrez du plomb.

Malheureusement. le matériau de départ doit être radioactif. Les atomes radioactifs “décroissent” jusqu’à ce que le nombre de leurs protons et de leurs neutrons s’équilibrent selon une certaine loi, et pour les éléments lourds l’équilibre parfait est presque atteint avec le plomb ou le .

La dernière manière de transformer un isotope en un autre est la seule que nous sommes capables d’utiliser et de contrôler : le bombardement neutronique. Ce n’est pas la meilleure solution, mais c’est la seule que nous ayons. L’idée est que les neutrons étant électriquement neutres (d’où leur nom), ils peuvent rejoindre le noyau atomique sans être repoussés par le noyau, chargé positivement. Cette répulsion empêche la technique de fonctionner avec des protons, et c’est d’ailleurs ce qui rend la fusion si difficile.

On utilise déjà le bombardement neutronique pour à partir d’uranium. Bombarder un échantillon avec des neutrons rend ses atomes presque toujours plus radioactifs, ce qui les fait parfois muer en éléments supérieurs par . La technique est donc du type “bombarder et attendre”. Dans certains cas, les atomes sont si radioactifs qu’ils se brisent aussitôt, et s’ils produisent une giclée de neutrons, vous avez la d’une bombe, ou d’une centrale nucléaire.

Voici une carte de tous les isotopes connus et de leur réaction de désintégration radioactive préférée (beaucoup d’isotopes peuvent se désintégrer de plusieurs manières) :

tous les isotopes, avec le nombre de neutrons sur l’axe X et le nombre de protons sur l’axe Y. Les points noirs sont les isotopes stables (cliquer pour un poster à très haute résolution

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)

Les différentes couleurs indiquent les modes de désintégration. Par exemple le rose est la dans laquelle un proton se change soudain en neutron en émettant un positron (anti-électron) qui est la “radiation” que l’on peut détecter. Donc sur la carte, les isotopes roses transmutent en se décalant en diagonale vers le bas et à droite, en perdant un proton et gagnant un neutron.

Règle du jeu : tout ce qu’on peut faire c’est décaler une petite fraction d’un isotope d’une case vers la droite en lui ajoutant des neutrons, et attendre les désintégrations naturelles…

En consultant la carte, vous pouvez voir quels éléments peuvent raisonnablement être produits à partir d’autres par bombardement neutronique. Par exemple, en regardant la petite portion de la carte ci-dessous, vous pourriez envisager créer de l’or en bombardant du platine 196, qui est juste en dessous de l’or 197, le seul isotope stable de l’or. Ca lui ajouterait un neutron qui le transformerait en platine 197, subissant ensuite une désintégration β- qui le décalerait d’‘une case en haut à gauche, le transformant en or. Cette désintégration β- a une demi-vie d’environ 20 heures, donc après irradiation du platine il suffit d’attendre quelques jours pour extraire des traces d’or de votre échantillon de platine. Il existe aussi une , réalisée en 1941 déjà.

Mais le plomb est mal placé pour former de l’or. Par bombardement neutronique on peut le décaler vers la droite, mais les chemins des désintégrations radioactives successives de tous les isotopes ainsi formés reviennent soit au plomb, soit au bismuth.

Tout ce qu’on peut faire avec le plomb c’est de lui ajouter des neutrons (flèches blanches), mais les désintégrations naturelles le ramènent au plomb ou au bismuth.

Donc en utilisant la seule et unique technique dont nous disposons, nous ne pouvons pas transformer le plomb en or. Même pas un tout petit peu. Du platine ou du mercure oui, mais du plomb non*

Finalement, les processus de transmutation du platine ou du mercure en or sont considérablement plus chers et dangereux que creuser le sol pour en extraire l’or. Entre autres accessoires, il vous faudra une qui est en général un bout de métal extrêmement radioactif, cher et illégal. Sinon, un peut aussi faire l’affaire. Il existe des manières plus simples de perdre de l’argent…

Note:

Le temps de traduire l’article, quelqu’un a mentionné dans les commentaires de l’article original que

Tiède fusion

Sat, 11 Jun 2011 00:00:00 +0000

Après avoir mis au point la soviétique, le futur Prix Nobel de la Paix inventa le dans les années 1950 dans l’espoir de dompter la . Ca fait bientôt 60 ans qu’on essaie de faire marcher ce truc. Dans le meilleur des cas, produira 500 MW de temps en temps dès 2020, après avoir coûté très cher. A moins que ce ne soit ou un descendant de la , d’autres projets colossaux. Ensuite il faudra encore quelques décennies pour industrialiser tout ça…

C’est beau une Z-machine, la nuit.

Mais dans tous les cas, comme , la réaction de fusion exploitée dans ces réacteurs est bien différente de . D’abord, elle produit des qui transformeront peu à peu la machine en déchets radioactifs. Ensuite, on n’obtient pas le tritium “simplement” en l’extrayant de l’eau. C’est …

La fusion D+T n’étant pas pour demain ni idéale, on pense déjà aux réactions de d’après-demain. Certaines réactions éjectent des protons qui pourraient théoriquement sans passer par la case thermique. D’autres, celles qui me font le plus rêver nécessitent de l’ , inexistant sur Terre ou l’ , mais présent sur la Lune ( ) et 10'000 fois plus abondant dans l’atmosphère d’Uranus, composée à 15% d’Helium. L’He3 est même , alors…

Ballons d’extraction de l’He3 dans l’atmosphère d’Uranus. Credit: Adrian Mann.

En revenant sur Terre, la réaction aneutronique la plus “simple” à réaliser et donc la plus étudiée consiste à bombarder du Bore-11 avec des protons, ce qui produit 3 Helium-4. La réaction se produit à une “température” encore 10x plus élevée que pour la réaction D+T, mais elle a été obtenue en 2005 avec un laser picoseconde. “pico” c’est 10 -12, et ça donne la durée de l’impulsion laser, longue de moins d’un millimètre… Le temps que le plasma chauffe, la réaction est donc plus courte que ça, et ensuite il faut probablement quelques heures avant de recommencer.

Donc la fusion aneutronique industrielle n’est probablement pas pour ce siècle. A moins que…

A moins que le marche vraiment.

Ces deux italiens de l’Université de Bologne ont effectué plusieurs d’un bidule nettement moins photogénique qu’une Z-machine, mais qui produit apparemment 10 kW de chaleur pour une consommation électrique de 600 W, en fusionnant de l’Hydrogène avec du Nickel, produisant ainsi du Cuivre !

Oui, mesdames et messieurs, la est de retour, ou plutôt la fusion tiède car le système est tout de même sous pression et plus chaud que la fumeuse expérience de Fleischmann et Pons de 1989. En théorie, ça ne peut pas marcher. Mais en pratique il y a eu des observations de transmutations sur des électrodes de nickel avant le papier de Rossi et Focardi , Rossi a déposé un brevet en 2008 pour commercialiser son système dès la fin de cette année 2011, et une partie de la communauté scientifique qui ne craint pas de se re-brûler les ailes analyse les explications possibles du phénomène, et en trouve .

Si le catalyseur d’énergie de Rossi et Focardi marche vraiment, ce serait un tsunami dans le domaine de la physique nucléaire, dans ses frontières avec la chimie, dans la production d’énergie et dans le paysage de Cadarache. Et Rossi et Focardi pourraient embaucher le roi d’Arabie Saoudite pour cirer leur pompes. A quelque part, ça serait trop beau. Ca ne se peut pas. Impossible.

Ma! Impossibile non è italiano, no ? Allora, vediamo …

Références

V. S. Belyaev, A. P. Matafonov, and V. I. Vinogradov, “ ”, 2005, Physical Review, E 72, 026406
Miley, G.H. and J.A. Patterson, “ ”. J. New Energy, 1996. 1(3): p. 5.
S. Focardi, A. Rossi “ ”, 2010, Journal of Nuclear Physics
Rossi Andrea, “ ” brevet WO/2009/125444
Christos Stremmenos, “ ”, 2011 Nuclear experiments blog

la fusion thermonucléaire

Sun, 11 Dec 2005 00:00:00 +0000

pourquoi il ne faut pas trop compter sur cette “source inépuisable d’énergie abondante, bon marché et non-polluante”

La ? c’est quoi ?

C’est ce qui fait briller les étoiles : aux pressions et températures extrêmes qui règnent au centre des étoiles, les atomes légers peuvent fusionner en atomes plus lourds, en dégageant beaucoup d’énergie.

Cette réaction fait également produire de la matière aux étoiles, convertissent ainsi peu à peu l’hydrogène qui constitue encore 98% des atomes de l’Univers en helium, qui en constitue 1%. Lorsqu’une étoile est trop “polluée” par de l’hélium, la réaction s’arrête, l’étoile s’effondre sur elle-même, et, si elle est assez massive, se chauffe suffisamment pour faire démarrer une fusion de l’hélium et ainsi de suite, en produisant, l’azote, le carbone, l’oxyogène etc.

La machine s’arrête avec le fer, qui est l’atome le plus “stable” : fusionner du fer ne produit pas d’énergie, mais en consomme. C’est ainsi que les atomes encore plus lourds comme l’uranium qui sont formés par accident “contiennent de l’énergie solaire” qui sera restituée lorsque ces atomes se casseront par la fission nucléaire exploitée dans les centrales nucléaires “classiques”, ce qui n’a donc rien de commun avec la fusion.

Et sur Terre ?

La fission nucléaire a été comprise dans les années 1930, utilisée dans la bombe A d’Hirsohima en 1945 et exploitée de manière “civile” pour la production d’énergie dès les années 1950. La fusion a été prévue par Andreï Sakharov et Ilia Frank dans les années 1940. Sakharov a ensuite mis au point la terrible bombe H dès 1952 avant de devenir dissident et Prix Nobel de la Paix.

La bombe H est en fait une bombe A “à charge creuse” dont l’explosion est concentrée sur un peu d’hydrogène (plutôt du deuterium comme on le verra plus loin). L’hydrogène est alors tellement comprimé et chauffé qu’il fusionne, multipliant par plus de 100 la puissance de la bombe A.

Au chalet nous avons un petit livre sur la fusion thermonucléaire datant des années 60 dont l’introduction dit en gros : dans 30 ans (donc en 1990…), la fusion thermonucléaire fournira la planète en électricité. Depuis 50 ans des milliers de physiciens essaient désespérément de faire produire un peu d’électricité par fusion, alors qu’il avait suffi de 10 pour passer de la bombe A à la centrale nucléaire à fission.

Pourquoi ça ne marche pas ?

“Fusionner des atomes”, c’est en fait fusionner les noyaux des atomes, et les noyaux d’hydrogène sont en fait composés d’un seul proton. Un proton c’est:

une petite masse
minuscule
chargé électriquement positivement

Pour en faire fusionner 2, il faut qu’ils se télescopent assez violemment, et c’est difficile parce que:

comme les deux ont la même charge (+), ils se repoussent l’un l’autre, donc il faut les catapulter l’un vers l’autre avec une vitesse assez grande pour que l’énergie de répulsion soit moins forte que l’énergie cinétique des noyaux
comme ils sont tout petits, il faut “bien viser” : si les deux atomes ne sont pas en collision frontale, leur charge les fera s’écarter.

Dans les étoiles, la recette est la suivante:

on met énormément d’atomes dans un petit volume grâce à une pression colossale
on chauffe un petit peu (quelques millions de degrés suffisent…) pour que les noyaux aient une bonne énergie cinétique
si une collision échoue, ce n’est pas grave car la probabilité qu’une collision se produise après reste très élevée.

Sur Terre, le problème est qu’$ part dans une bombe atomique, on arrive pas à créer une pression approchant le millième de celle qui règne au centre d’une étoile, donc:

on doit chauffer beaucoup plus pour que les noyaux aient une vitesse encore plus élevée et ainsi obtenir la même probabilité de collision que dans une étoile
on doit faire en sorte que ces particules beaucoup plus rapides restent dans une zone ou elles ont une forte probabilité de collision.

Deutérium et Tritium

En fait on est obliger de “tricher” pour avoir une petite chance d’espérer : on n’utilise pas de l’hydrogène “simple” mais du deutérium qui est un isotope de l’hydrogène avec un neutron collé au proton, ce qui double la masse des noyaux à fusionner, donc double l’énergie cinétique des noyaux en gardant la même répulsion électrique, ce qui permet de moins chauffer. Le deutérium représente environ 2% de l’hydrogène présent sur Terre, donc en quantité quasi-infinie dans les océans, mais il faut quand même l’extraire et ce n’est pas trivial.

Par désespoir on en est même venus à vouloir utiliser du tritium, isotope de l’hydrogène doté de 2 neutrons, mais cet élément très rare et instable doit être “fabriqué” lors d’une réaction qui émet des neutrons. On s’éloigne donc encore plus du principe de l’“énergie des étoiles”. Dans le paragraphe “Helium 3” ci-dessous j’explore une alternative osée à cette approche.

Confinement

Dans une étoile flottant librement dans l’espace, la zone de fusion est de forme sphérique et entourée par des milliers de kilomètres de gaz qui servent à la fois de combustible, d’enceinte à pression et d’isolant thermique, puisque la surface du soleil n’est qu’à 5000° environ.

Sur Terre il faut créer un “isolant” capable de maintenir un plasma de gaz à plusieurs millions de degrés, si possible sous “pression”, à quelques mètres de matériaux qui n’en supportent pas plus de quelques centaines. Il faut accessoirement chauffer ce plasma jusqu’à ce que la réaction s’amorce sans pouvoir rien “tremper” dedans, et trouver un moyen de faire revenir dans la zone de fusion des noyaux rapides qui ne pensent qu’à s’en écarter…

Un tokamak avec un monsieur dedans pour donner l’échelle…

Les “tokamaks” actuels et le futur ITER confinent le plasma en forme de tore (=“pneu”) à l’aide de très puissants champs magnétiques dont les lignes de champ fermées permettent de satisfaire le cahier des charges ci-dessus, mais encore une fois de manière très différente de ce qui se passe dans les étoiles.

Helium 3

Une réaction de fusion non-radioactive et qui se déroule à température moins élevée est He3 + D -> He4 + H

He3 est l’isotope 3 de l’hélium, qui a le léger défaut de n’être produit sur Terre qu’en très faible quantité (15 kg/an). Par contre, il existe4 sur la Lune en quantités énormes : il est produit dans la couronne solaire et transporté par le vent solaire, dévié par le champ magnétique terrestre, il n’arrive pas sur Terre, mais imbibe le sol lunaire.

Il est très possible que l’Helium3 soit non seulement la seule ressource naturelle intéressante de la Lune, mais que son exploitation commerciale puisse devenir une industrie aussi rentable que le pétrole, disons dans un siècle. Certaines entreprises se préparent déjà à la course.

Conclusion

La fusion contrôlée est donc beaucoup plus complexe à mettre en œuvre que la fission, dans laquelle “yaka faire une bombe atomique qui pète lentement”. De plus, alors qu’on dit souvent que la fusion est un “Soleil en laboratoire”, propre, écologique etc, on va en fait vers l’utilisation d’une réaction différente de celle existant dans la nature, mise en oeuvre de manière très différente aussi. Les physiciens ne sont donc pas en train de reproduire un phénomène naturel existant, mais d’en inventer un complètement nouveau.

Ceci va vraisemblablement prendre beaucoup de temps, pour autant que ça réussisse. On parle aujourd’hui de 50 ans à un siècle avant que cette forme d’énergie soit exploitable commercialement. Il est très probable que ça ne sera pas prêt au moment de l’épuisement du pétrole, donc que l’humanité devra trouver autre chose entre la fin des énergies fossiles et le début de la fusion.