Propulsion
spatiale par fusion nucléaire
Dans
le cadre du cours complémentaire «Astrophysique» (203-YIO-JR) offert au
cégep de Saint-Jérôme, M Emmanuel St-Aubin, étudiant au programme de
sciences de la nature a produit le travail qui suit et qui porte sur la
propulsion spatiale assistée par la fusion nucléaire. Devant la qualité
de ce travail et avec la permission d'Emmanuel, vous trouverez ci-dessous
l'intégral de cette recherche. Toute reproduction ou utilisation de ce
travail, en tout ou en partie, est interdite sans le consentement
d'Emmanuel St-Aubin. Vous pouvez le contacter à l'adresse suivante : 0278726@cstj.net
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Travail
réalisé par
Emmanuel
St-Aubin
27
février 2004
Introduction
Depuis le début de l’humanité, l’Homme a toujours cherché à
agrandir ses horizons de toutes les façons qui étaient à sa disposition ou
qui étaient dans son imagination. La conquête du ciel surplombant la Terre où
nous habitons fut probablement l’une des plus vieille ambition des hommes.
Aujourd’hui, après le premier vol spatial habité de Iouri Gagarine et les
pas de Neil Armstrong sur la Lune, nous sommes rendu à envisager réalistement
d’établir une colonie sur Mars. Bien que nous ayons franchi des limites que
tout un chacun croyait impossible à percer il y a à peine deux siècles, en
considérant que la taille de notre système solaire, notre exploration de
l’espace en est encore qu’au tout début. Ainsi, l’Homme, fidèle à sa
nature, cherche toujours à aller plus loin, c’est-à-dire vers l’espace
interstellaire.
Pour ce
faire, étant donné l’évidente incapacité des techniques de vols spatiaux
à réaliser de tels voyages, des scientifiques de partout à travers le monde
s’intéressent de plus en plus à des modes de propulsion futuristes. L’une
des plus prometteuses de ces techniques avant-gardistes est la propulsion par
fusion nucléaire.
Dans
le présent travail, nous allons exposer les rudiments de la fusion nucléaire
ainsi que la façon que cette dernière pourrait s’appliquer à la propulsion
d’engins spatiaux pour des vols habités. De plus, nous allons mentionner les
éventuels premiers pas de cette technologie dans l’espace. Finalement, nous
relaterons les avantages et les inconvénients de ce procédé pour le moins
innovateur.
Fusion
nucléaire
Avant
d’entrer dans le vif du sujet, nous croyons essentiel d’illustrer les
principes de base de la fusion nucléaire afin de pouvoir mieux considérer
l’application de cette technologie à la propulsion spatiale par la suite.
Principe
de base
Brièvement, la fusion nucléaire
consiste à fusionner deux noyaux atomiques ensemble en les faisant entrer en
collision. Ceci a comme conséquence de créer des atomes d’isotopes différents
de ceux utilisés au départ et de transformer une partie de la masse en énergie.
Même si le principe semble simple, les conditions physiques où la fusion peut
être réalisée sont très difficiles à atteindre. En effet, la fusion nucléaire
s’effectue habituellement d’une façon naturelle uniquement dans les étoiles,
c’est-à-dire là où les conditions de température et de pression intenses
sont réunies. Par exemple, la température du noyau du Soleil est d’environ
de 15 000 000 °K et la pression est d’environ 300 milliards de fois
celle de l’atmosphère terrestre qui est de 101,3 kPa. Donc, la pression au
centre du Soleil égalerait environ le résultat de l’équation suivante.
Pnoyau
= Patmosphèere x 300 000 000 000 = 101,3 kPa x 300 000 000 000
= 3,04x1013 kPa.
Ces si
hautes exigences physiques sont nécessaires étant donné que pour entrer en
collision, les noyaux atomiques doivent vaincre l’une des quatre grande force
universelle qui se dresse contre eux : la force électrique. En effet,
cette force est répulsive dans le cas de la fusion nucléaire, puisque les deux
noyaux à fusionner sont tous les deux positifs. Pour contrer la répulsion électrique,
les noyaux doivent acquérir une énergie cinétique tellement grande que
c’est seulement sous une température de dizaines de millions de degrés et
une pression de milliers de milliards de kilopascals que cette énergie peut être
transmise aux noyaux. Une fois ceux-ci suffisamment près l’un de l’autre,
l’interaction nucléaire forte (une autre des 4 grandes forces universelles)
entre en jeu et la fusion peut enfin avoir lieu.
Production
énergétique par fusion nucléaire
À ce stade, une interrogation
semble s’imposer d’elle-même : pourquoi devrions-nous développer la
fusion nucléaire si les conditions qui lui sont nécessaires sont, à première
vue, inaccessibles ? En fait, la fusion nucléaire devient intéressante
lorsque l’on considère les conclusions d’Albert Einstein qui nous montrent
que l’énergie (E) égale la masse (m) multipliée par la vitesse de la lumière
au carré (c²) : E = mc². Ainsi, lors de la fusion nucléaire, une petite
partie de la masse de chaque noyau en fusion est perdu, ou plutôt transformée
en énergie par le rapport présenté par Einstein. La perte de masse est de
l’ordre d’environ 3,8x10-3 gramme à chaque gramme de combustible
fusionné. Cela peut paraître bien peu, mais en multipliant ce nombre par la
vitesse de la lumière (c = 3x108 m/s) au carré, nous obtenons
environ 3,42x1011 joules. Cette quantité énergétique est
ahurissante, mais elle le devient encore plus lorsque nous la comparons au
propergol, un mélange d’hydrogène et oxygène, qui est le combustible présentement
utilisé dans les navettes spatiales. Effectivement, il faudrait environ 25
tonnes de propergol pour produire autant d’énergie qu’un seul gramme de
plasma de deutérium et de tritium.
Réactions
de fusion nucléaire
Bien que la fusion des atomes peut théoriquement
engendrer tous les éléments du tableau périodique plus léger que le fer (Fe),
il faudrait atteindre des températures de plusieurs centaines de milliards de
degrés pour y arriver. En fait, plus le numéro atomique des éléments à
fusionner est élevé, plus la température requise est grande, étant donné
que la force électrique est proportionnelle aux charges mises en jeu et que la
charge augmente avec le numéro atomique. Par conséquent, les scientifiques étudient
davantage les réactions de fusion nucléaire se produisant sur les éléments
les plus légers puisque les réactions entre les éléments plus lourds sont
impossible à réaliser avec la technologie actuelle. Il y a quatre réactions
de fusion nucléaire qui sont plus particulièrement étudiées étant donné
leur accessibilité, les voici :
La première réaction
fait interagir deux atomes de deutérium, un isotope de l’hydrogène possédant
deux masses atomiques au lieu d’une seule. La fusion des deux noyaux entraîne
la formation d’un isotope léger de l’hélium ainsi que d’un neutron. Les
réactifs de la deuxième réaction sont les mêmes que dans la première, mais
les produits sont, cette fois-ci, un atome de tritium et un proton. L’étude
de ces deux réactions a prouvé qu’elle ne dégageait pas suffisamment d’énergie
pour être rentable. En fait, nous sommes incapable d’obtenir un rendement supérieur
à 1 entre l’énergie fournie à la réaction et celle étant produite par
celle-ci. Pour ce qui est de la troisième interaction nucléaire ci-dessus,
nous voyons qu’un atome de 3He y est nécessaire, or cet isotope de
l’hélium est extrêmement rare sur Terre, ce qui rend la réaction
pratiquement irréalisable. Cependant, les régolites lunaires regorgent de 2He3,
donc cette réaction nucléaire pourrait servir d’alternative à la quatrième
(nous verrons plus loin comment). Cette dernière est la plus étudiée
d’entre toutes puisqu’elle est la plus facile à amorcer. Comme nous
l’avons vu le plasma de deutérium et de tritium dégage énormément d’énergie
pour la masse utilisée. C’est ce type de fusion qui est utilisée dans les
bombes H, cependant elle n’y est pas contrôlée.
Propulsion
spatiale par fusion nucléaire
Maintenant que nous connaissons davantage les principes de fusion nucléaire,
nous pouvons aborder le thème de la propulsion spatiale, le sujet principal du
présent travail. Nous allons ici nous restreindre à l’explication du
fonctionnement d’une seule technique de propulsion spatiale par la fusion nucléaire
puisque nous ne sommes pas encore en mesure de contrôler la fusion nucléaire
à grande échelle et que donc, la plupart des renseignements mentionnés ultérieurement
demeurent des hypothèses ou des calculs théoriques n’ayant jamais été expérimentés
concrètement. Toutefois, l’une de ces nombreuses hypothèses de système de
propulsion nucléaire est beaucoup accessible que les autres.
Confinement
inertiel
Le confinement inertiel est l’une
de la panoplie de techniques de propulsion par fusion comme la fusion à
confinement magnétique, la fusion à
confinement « inertiel-électrostatique », la fusion muomique, etc.
Cependant, le confinement inertiel est la technique qui est la plus accessible
parmi toutes celles imaginées, c’est pourquoi nous allons nous concentrer sur
celle-ci.
D’abord,
le confinement inertiel nécessite du combustible à fusionner sous forme de
petite pastille. On amorce la réaction de fusion nucléaire dans la pastille à
l’aide de puissants lasers dirigés vers celle-ci. La capsule est aussitôt
pulvérisée et son contenu est transformé en plasma où les conditions
physiques nécessaires à la fusion nucléaire son atteinte pendant quelques
picosecondes (10-12 seconde). Par la troisième loi de Newton,
c’est-à-dire le principe d’« action-réaction », lorsque la
capsule se volatilise le contenu de cette dernière est comprimé, c’est ce
qui l’amène à l’état plasmatique. Étant donné la grande inertie que le
plasma a reçu, il n’a pas le temps de se disperser et il reste donc confiner
sur lui-même, d’où le nom de confinement inertiel. Ensuite, il ne reste plus
qu’à guider le plasma chargé à l’aide d’une tuyère magnétique vers
l’arrière du vaisseau spatial pour effectuer la poussée qui fait avancer
l’engin. Au rythme de quelques centaines de pastilles de carburant à la
seconde, le vaisseau pourrait atteindre des vitesses phénoménales.
Plusieurs laboratoires de recherches sur la fusion nucléaire sont présentement
en construction, notamment aux États-Unis et en France. Ceux-ci utiliseront le
concept de confinement inertiel dans le but de l’appliquer un jour au domaine
énergétique, puis beaucoup plus tard, à la propulsion spatiale.
Carburant
pour la propulsion par fusion nucléaire
Comme nous l’avons vu dans la
section précédente, une réaction de fusion entre le deutérium et de tritium
est la plus facile à amorcer et fournie suffisamment d’énergie pour amener
un vaisseau vers des systèmes planétaires voisins. Cependant, l’un des
produits de cette réaction, en plus d’un 2He4 et de
l’énergie, est un neutron. Bien qu’à première vue un neutron ne semble
pas présenter de problème, une fois que celui-ci est accéléré jusqu’aux
vitesses possible d’atteindre avec autant d’énergie, celui-ci peut causer
beaucoup de dégât. De plus, étant donné que les neutrons sont neutres électriquement,
ils ne peuvent être dirigés par un champ électrique ou magnétique comme on
le fait avec le plasma. Il faudrait donc ériger d’énormes parois solides
dans le vaisseau spatial afin d’arrêter les neutrons. Sans elles, les
astronautes courraient de graves dangers à bord de la navette. Or, nous
pourrions grâce à ces plaques capter l’énergie des neutrons et la
redistribuer à l’aide d’un système thermodynamique classique vers le reste
du vaisseau et même pour alimenter électriquement le réacteur nucléaire
lui-même. Par contre, les parois auraient un poids immense, ce qui devient un
grand problème à contourner.
D’un autre côté, comme nous l’avons déjà mentionné, la réaction
nucléaire entre le deutérium et l’2He3 pourrait servir
d’alternative au mélange de deutérium et de tritium. En effet, en allant
faire de l’excavation sur la Lune, une grande quantité d’2He3
serait disponible pour réaliser les réactions. Cette dernière, pourrait avoir
un rôle très important dans la propulsion spatiale, mais ce n’est seulement
qu’en considérant les produits de cette réaction que nous nous apercevons du
potentiel de celle-ci. Effectivement, nous savons qu’il y a production d’2He4,
d’énergie et d’un proton chargé positivement. Nous pourrions donc diriger
les protons par le même champ servant à diriger le plasma et ainsi éviter de
surcharger le vaisseau en y installant d’énormes plaques de métal et de
puissants amortisseurs.
Projets
futurs d’engins spatiaux À propulsion par fusion nucléaire
Le
Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO)
Le JIMO est un
projet proposé dans le cadre du programme Prométhée par le Jet Propulsion
Laboratory et serait une sonde automatique. Selon les experts, cette sonde
pourrait être lancée vers trois satellites de Jupiter, Callisto, Ganymède et
Europa vers 2012 et serait alimenté par la fusion nucléaire. Les buts de la
mission seraient de trouver des sites d’atterrissage possible pour de futures
missions ainsi que de tenter de repérer des traces de vie dans les océans
internes des satellites.
Le
Deadalus
Le Deadalus a été imaginé par la
British Interplanetary Society et serait un vaisseau spatial propulsé par le
concept de confinement inertiel de fusion nucléaire. Ce vaisseau pèserait
environ 53 500 tonnes (en comparaison, la Station Spatiale Internationale pèsent
près 500 tonnes) dont une grande partie serait du carburant pouvant offrir une
poussée de l’ordre des quelques millions de newtons pendant deux années. Il
fonctionnerait sous un régime d’environ 250 pastilles de combustible par
seconde, il faudrait donc à peu près 650 millions de pastilles pour faire le
voyage. À chaque minute, la poussée du vaisseau correspondrait à près de 155
000 bombes Hiroshima. Avec autant de puissance, nous pourrions atteindre des
vitesses aussi élevées qu’un dixième de la vitesse de la lumière (c/10 =
(300 000 km/s)/10 = 30 000 km/s). Nous pourrions avoir une impulsion spécifique
de 10 millions de secondes (l’impulsion spécifique représente le temps pour
lequel un kilogramme de combustible peut fournir une force d’un
kilogramme-force qui égale 9,81 N. Elle représente le rapport entre la poussée
et l’accélération de la pesanteur) ce qui est 14 000 fois mieux que
l’impulsion spécifique produite par le meilleur propergol.
Avantages
et inconvénients
Les désavantages du développement de la fusion nucléaire sur Terre et
comme moyen de propulsion spatiale sont presque les mêmes que ceux rencontrés
pour la fission nucléaire. Premièrement, il est évident qu’il existe un
risque qui est très élevé en utilisant l’énergie nucléaire étant donné
qu’une réaction peut dégénérer assez facilement et créer des dégâts
pratiquement irréparables puisque la quantité d’énergie dégagée par unité
de combustible est incommensurable. Cependant, contrairement à la fission nucléaire,
la fusion ne pollue pas et ne produit pas de déchets radioactifs très nocifs
pour le sol et surtout pour l’homme. Bien sur, si une centrale ou une fusée
à fusion nucléaire explose, tout ce qui se trouvera à proximité sera complètement
anéanti, par contre il n’y aura pas de contamination du sol pour des décennies
comme il s’est produit en 1986 à Tchernobyl en Ukraine. D’autre part,
inversement à la propulsion chimique présentement utilisée à la NASA, la
propulsion par fusion nucléaire ne peut être, actuellement du moins,
parfaitement maîtrisée. Il reste encore beaucoup de progrès technologiques à
développer avant que ce type de propulsion soit accessible. Par exemple, il
faut trouver des moyens réalisables de canaliser les particules très énergétiques,
de stocker le combustible sans danger et surtout de régler la libération de
l’énergie produite.
D’un autre côté, la fusion nucléaire pourrait être extrêmement
utile, voire même indispensable, dans un futur assez rapproché sur Terre comme
au ciel. Effectivement, en considérant la quantité restante des ressources énergétiques,
pratiquement toutes non renouvelables, il devient pressant de trouver de
nouveaux moyens de faire fonctionner notre monde industrialisé. En fait, les réserves
de pétrole tiendront quelques centaines d’années encore et celle de gaz
naturel tout au plus 50 ans. L’énergie solaire a souvent été évoquée pour
remplacer les autres, cependant cette source énergétique serait insuffisante
pour fournir les industries très énergivores d’aujourd’hui. La seule
alternative semble être l’énergie nucléaire par fission ou fusion. La
fission pourrait être utilisée, cependant étant donné la rareté des éléments
radioactifs sur Terre comme l’uranium et le plutonium, l’humanité pourrait
en dépendre que pour environ deux siècles. Par contre, la fusion nucléaire
qui utilise les éléments les plus abondants de l’univers pourrait nous
fournir suffisamment d’énergie pour 10 billions d’années en utilisant
seulement le deutérium et le tritium qui se trouve sur Terre. En fait, à
chaque millilitre du mélange « deutérium-tritium », nous pourrions
économiser 9090 litres de pétrole.
Dans l’espace, la fusion nucléaire serait un moyen de propulsion très
économique étant donné que l’univers contient tout près de 100 %
d’hydrogène. De plus, cette technique nous permettrait d’atteindre Mars en
moins de trois mois, sans compter toutes les nouvelles possibilités de voyage
interstellaire qui seraient à notre portée.
Conclusion
En conclusion, la fusion nucléaire pourrait devenir bien présente dans
la vie de bien des gens d’ici peu. En effet, si nous considérons toutes les
retombées bénéfiques que pourrait avoir ce type de production d’énergie
sur le progrès technologique, le smog et même sur le réchauffement de la planète,
la fusion nucléaire serait une technologie bien intéressante à
s’approprier. Du côté de l’exploration spatiale, la fusion nucléaire
pourrait nous mener un peu partout dans la galaxie, là où seul les ouvrages de
science-fiction sont capables de nous amener pour l’instant. De plus, la
colonisation de planètes habitables comme Mars ou bien d’autres encore
inconnues pourraient devenir beaucoup plus facile à réaliser. Bref,
l’exploitation de la fusion nucléaire soulève bien des problèmes, mais
pourrait également en résoudre beaucoup d’autres si l’opinion populaire
sur le nucléaire voyait davantage l’avenir que le passé (Guerre Froide,…)
pour enfin remarquer les avantages. Malgré tous les rêves qu’engendre le
projet de l’exploration de l’espace interstellaire, il ne se réalisera pas
avant plusieurs longues années, pendant lesquelles chercheurs et ingénieurs
devront redoublés d’effort pour continuer l’ascension de l’Homme vers les
étoiles.
