- 1. Historique et premiers concepts
- 2. Propriétés et classification des plasmas
- 3. Description mathématique des plasmas
- 4. Plasmas et rayonnement
- 5. Plasmas magnétisés
- 6. Propagation d'ondes dans les plasmas
- 7. Instabilités et turbulence dans les plasmas
- 8. Plasmas de l'environnement terrestre
- 9. Réactions nucléaires dans les plasmas
- 10. Applications des plasmas chauds
- 11. Plasmas froids et applications industrielles
- 12. Diagnostics des plasmas
- 13. Modélisation numérique
- 14. Perspectives
- 15. Bibliographie
MATIÈRE (physique) Plasmas
Réactions nucléaires dans les plasmas
À très haute température, quand on dépasse la dizaine de millions de kelvins, les plasmas constitués de noyaux légers peuvent être le siège de réactions de fusion nucléaire, avec production de noyaux plus lourds et surtout d'énergie. La nécessité d'atteindre des températures très élevées est due à ce que, avant de fusionner sous l'effet des forces nucléaires, les deux noyaux en présence doivent d'abord vaincre les forces de répulsion électrostatique intenses de façon à pouvoir se rapprocher suffisamment pour que les forces nucléaires entrent en jeu. La fusion est la source d'énergie des étoiles, qui brûlent ainsi leur hydrogène pour fabriquer de l'hélium, puis éventuellement des noyaux plus lourds encore. La cohésion de l'étoile est assurée par les forces de gravitation.
L'énergie dégagée par les réactions de fusion nucléaire est bien supérieure, à masses de combustible égales, à l'énergie dégagée par les réactions chimiques. Cette propriété est mise à profit dans les bombes à hydrogène, ou bombes H, ou bombes thermonucléaires, premier exemple de réalisation sur Terre (en 1951) de réactions de fusion pour produire de l'énergie. L'utilisation des réactions de fusion à des fins civiles, comme source quasi inépuisable d'énergie, est à l'origine de l'intensification ultérieure des recherches sur la physique des plasmas. La réaction la plus importante dans ce contexte est la réaction D + T → 4He + n + 17,6 MeV, où D et T représentent respectivement un noyau de deutérium et un noyau de tritium, deux isotopes de l'hydrogène, où 4He désigne un noyau d'hélium 4, également appelé particule α, et où n désigne un neutron. L'énergie de fusion, exprimée en mégaélectronvolts (MeV), peut être convertie en joule à partir de la correspondance 1 MeV = 1,6 × 10–13 J. Deux critères doivent être réalisés pour aboutir à la production d'énergie en quantité suffisante. D'une part, la température du plasma doit être de l'ordre de 108 K, sensiblement supérieure à la température régnant au centre du Soleil, qui est d'environ 15 × 106 K ; d'autre part, le produit de la densité du plasma n par le temps de confinement t, qui correspond au temps de maintien de la densité et de la température aux valeurs souhaitées, doit être supérieur à une valeur critique ; nt > 1020 s m–3 (critère de Lawson). Deux modes de confinement sont envisageables pour un réacteur à fusion : le confinement magnétique (à basse densité), et le confinement inertiel (à haute densité). Dans le premier cas le plasma est maintenu, à une densité de particules de l'ordre de 1020 m–3, par des champs magnétiques organisés suivant une configuration toroïdale : les surfaces engendrées par les lignes de force du champ magnétique constituent des parois virtuelles qui confinent le plasma. Le plasma est porté à haute température d'une part par l'effet Joule associé aux courants électriques circulant dans le plasma, comme dans toute résistance électrique, d'autre part par des chauffages auxiliaires (injection de particules neutres énergétiques ou chauffage par ondes à haute fréquence). Le confinement inertiel à haute densité (n supérieur ou égal à 1031 m–3) constitue, quant à lui, une simple extrapolation du mode de fonctionnement des bombes H, avec la miniaturisation en plus. La compression et le chauffage du mélange combustible sont assurés par des faisceaux de particules ou de lumière laser capables de délivrer une énergie importante (chiffrée en mégajoules) en un temps très court (les puissances instantanées en jeu peuvent atteindre 1015 W !) sur une cible dont le diamètre initial est de l'ordre du millimètre.
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Écrit par
- Patrick MORA : docteur d'État, directeur de recherche au C.N.R.S.
Classification
Médias
États de la matière
Encyclopædia Universalis France
Irving Langmuir et E. D. MacArthur
Encyclopaedia Britannica, Inc
Sinclair Lewis, Frank Kellogg, Albert Einstein et Irving Langmuir
Hulton-Deutsch/ Corbis Historical/ Getty Images
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