Avant de parler de la fusion en elle-même voici une présentation de l’atome :

L’atome est un constituant de la matière a la base de tout élément chimique, son ordre de grandeur est de 10^-10  m, mais qui n’en est pas un constituant élémentaire. En effet il est divisible en particules subatomiques et ainsi composé d’un noyau dont le rayon d’environ 10^-15 m, autour duquel se déplacent des électrons, ils sont attirés par ce noyau du fait de l’interaction électromagnétique présent entre le noyau, chargé positivement, et les électrons, chargés négativement, ces deux charges se compensent et ainsi l’atome entier est neutre. la charge, notée q est exprimée en Coulombs (noté C).

Le noyau lui-même n’est pas indivisible, il est constitué de protons et de neutrons dont l’ensemble forme les nucléons dont l’ordre de grandeur de la masse est égale a 10^-29 kg , mais leur charge électrique diffère, les protons ont une charge positive : q(p) = e  ( e = charge élémentaire dont la valeur est de 1.60x 10^-19 C ), et les neutrons, comme leur nom l’indique, sont neutres, ainsi q(n) = 0 C. Les protons devraient donc exercer une interaction électromagnétique répulsive entre eux dans le noyau. Or dans le noyau les protons et neutrons sont liées entre eux et a la découverte de la composition atomique la seule autre interaction connue était l’interaction gravitationnelle, négligeable du fait de la masse très petite des protons et neutrons, elle ne pouvait doc pas expliquer ce phénomène. Les scientifiques en ont donc   déduit qu’il existait une autre force présente a l’échelle du noyau, qu’ils nommèrent l’interaction forte. Elle compense la répulsion électromagnétique des protons et lie les protons et neutrons entre eux. C’est cette interaction qui est responsable de la libération d’énergie provoquée lors des réactions nucléaires, dans les réacteurs ou les  bombes par exemple.

            Mais comment expliquer la libération d’énergie causée par cette interaction ?  

Energies de masse et de liaison : 

Etrangement la masse d’un noyau est plus petite que celle de la somme de ses nucléons. C'est l’interaction forte qui est à la base de ce défaut de masse : en effet chaque  nucléon donne une partie de sa masse pour former l’énergie de liaison entre les nucléons du noyau ( c’est l’interaction forte). L’énergie mise en jeu est caractérisée par la célèbre relation masse-énergie d’Einstein :

E = m .c² avec :

- E = énergie (en joules)

- m= masse des particules (en kg)

- c = célérité (vitesse de la lumière  en m.s^-1)

Ainsi, d’après Einstein, toute particule possède une énergie du fait de sa masse, et cette énergie est extrêmement importante, puisque cette masse est multipliée par la vitesse de la lumière dans le vide élevée au carré, et qu'on appelle énergie de masse. D’ailleurs un noyau possédant plusieurs nucléons, et donc un défaut de masse, qui est converti en énergie de liaison entre les nucléons. La courbe d’Aston permet de déterminer une énergie de liaison d’un noyau et donc l’énergie nécessaire a dissocier les noyaux, et d’après la relation

E = m . c², la formule suivante : El = Δm . c² avec :

-  El = Energie libérée (en joules)

-  Δm = le défaut de masse (masse initiale – masse finale en kg)

-  c = célérité

En divisant l’énergie de liaison d'un noyau par son nombre de nucléons, on obtient l’énergie de liaison par nucléon, donnant une représentation de l’énergie mise en jeu dans l’interaction forte par nucléon dans un noyau atomique. Cependant, cette énergie de liaison par nucléon dépend de la taille du noyau : certains ont besoin d’une énergie de liaison par nucléon plus importante pour assurer leur stabilité : ils auront ainsi un défaut de masse relatif plus important. Une courbe représente cette perte de: la courbe d’Aston (voir ci-dessus). Les noyaux les plus stables (les plus liés) sont ceux qui sont au minimum de la courbe : ils ont un défaut de masse important, et donc plus d’énergie est mise en jeu dans leur liaison.

Le principe de la fusion nucléaire :

La fusion est une réaction au cours de laquelle deux noyaux légers s’associent (ils fusionnent) pour en donner un plus lourd. Pour ce faire il faut les rapprocher a moins de 10^-15 mètres pour que chaque noyau soit a la portée de l’interaction fore de l’autre. Cependant il faut surpasser la force électromagnétique, dominante de l’échelle de l’atome à l’échelle humaine, qui repousse les noyaux puisqu’ils sont tous deux positifs. Pour cela il faut les chauffer a une très grande température (10 millions de degrés dans le noyau de Soleil par exemple) ce qui augmentera assez leur vitesse pour les rapprocher le plus possible et aboutir a la fusion.

Au cours de cette réaction aucun proton ou nucléon n’apparaît ou ne disparait. Or étant donné que les deux noyaux fusionnent pour en donner un seul, le nombre de nucléons va changer. Cependant, suivant la courbe d’Aston le nombre de nucléons affecte l’énergie de liaison. Ainsi la somme des énergies de liaison des nucléons des deux noyaux réactifs sera différente de l’énergie de liaison des nucléons du noyau produit. Par exemple deux noyaux d’hydrogène constitués chacun d’un seul proton, donc ayant un défaut de masse nul puisqu’il n’existe aucun autre nucléon à lier dans le noyau. Si on les fusionne en un hypothétique noyau constitué de deux protons (et aucun neutron : il y aura alors désintégration radioactive, mais là n’est pas la question), alors une énergie de liaison entre nucléons s’appliquera et on aura un défaut de masse, correspondant à une certaine énergie (toujours d’après l’équivalence E = m . c²). Ici, la somme des énergies de liaison des réactifs est nulle, et celle du produit ne l’est pas : le second noyau « utilise » plus de masse que le second dans son énergie de liaison nucléaire, et paraît donc plus léger que les deux protons non réunis : cette masse perdue est délivrée à l’environnement sous forme d’énergie cinétique : c’est celle que l’on cherche à exploiter ici.

Cependant, en fonction des noyaux choisis la perte de masse et donc l’énergie libérée sera différente il faut donc les choisir avec soin pour avoir le meilleur rendement possible ce qui nous mène a la partie suivante Quels noyaux utiliser sur Terre