Fusion nucléaire : qu’est-ce que le deutérium et le tritium ?

Fusion nucléaire deutérium et tritium

Réaction de fusion entre les noyaux du deutérium et du tritium (©Connaissance des Énergies)

Le deutérium et le tritium sont des atomes très légers, tous deux isotopes de l’hydrogène : ils ont un seul proton (numéro atomique de l’hydrogène) mais leur nombre de neutrons diffère. Dans un état d’agitation thermique intense, leurs noyaux peuvent fusionner en des noyaux uniques d’hélium (de numéro atomique 2). Comme cette fusion conduit à un niveau d’énergie finale plus faible (c’est à dire à un noyau plus stable), la réaction libère une très grande quantité d’énergie. La fusion est à la base du rayonnement des étoiles dont le Soleil. Les scientifiques cherchent à la reproduire en laboratoire (projet ITER).

Le deutérium, de symbole D ou 2H, a un noyau contenant un proton et un neutron. Il peut être isolé par distillation de l’eau. Un litre d’eau de mer contient par exemple près de 33 milligrammes de deutérium(1).

Le tritium, de symbole T ou 3H, a un noyau contenant un proton et deux neutrons. C’est un élément radioactif contrairement au deutérium et à l’hydrogène qui sont stables. Sa demi-vie est courte : 12,32 ans. Il est produit par l’industrie nucléaire, dans les réacteurs en fonctionnement et ultérieurement durant le traitement des déchets radioactifs. Il peut par ailleurs être produit par l’interaction d’un neutron et d’un atome de lithium(2).

Les noyaux de deutérium et de tritium se repoussent dès lors que leurs charges électriques sont toutes deux positives. Pour fusionner, ils doivent être confinés dans un plasma à très haute température (150 millions de °C pour Iter(3)). Leur fusion s’accompagne d’une perte de masse équivalant à l’énergie dégagée(4). En cas de succès des travaux d’ITER, une centrale de 1 000 MW utilisant la fusion pourrait fonctionner en continu avec 2 kg de deutérium et de tritium par jour alors qu’il faudrait 6 000 tonnes de combustibles pétroliers pour alimenter une centrale thermique de même puissance(5).

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Sources / Notes
  1. Notons que « l’eau lourde » (D2O), utilisée dans certains modèles de réacteurs nucléaires, est une molécule composée de deux atomes de deutérium et d’un atome d’oxygène. Dans l’univers, des réactions de fusion d’atomes d’hydrogène sont observées, notamment dans le Soleil.
  2. Noyau de 3 protons.
  3. Dans le Soleil, la fusion des noyaux d’hydrogène s’effectue dès 15 millions de °C en raison de l’important confinement magnétique.
  4. Une énergie de près de 2,8.10-12 J selon la formule E = mc2.
  5. Donnée du CEA
Les combustibles de la réaction de fusion