9. 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 régna […]
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