HYDROGÈNE (physique)

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Hydrogène et énergie

La physique de l’hydrogène et de ses isotopes trouve son application dans la production d’énergie, domaine encore passablement futuriste justifié par le fait que l’hydrogène est un élément très abondant sur Terre, en particulier dans la molécule d’eau, de sorte que cette ressource est en quelque sorte illimitée. La production d’énergie à partir de l’hydrogène est envisagée sous deux formes radicalement différentes.

La fusion nucléaire

La première concerne la fusion d’isotopes de l’hydrogène. Copier le fonctionnement du Soleil en domestiquant l’énergie issue de la fusion de noyaux légers est un formidable défi dont on est loin de connaître l’issue. Bien qu’on soit capable, depuis l’explosion de la première bombe H en novembre 1952, d’initier le processus de fusion nucléaire et d’en observer les effets destructeurs, les difficultés sont immenses pour maîtriser ce dégagement d’énergie afin de le rendre utile et pacifique. L’élément essentiel de cette recherche est l’établissement d’un plasma d’isotopes (deutérium et tritium) de l’hydrogène, porté et confiné à une température de l’ordre de 100 à 200 millions de degrés. Deux méthodes sont en cours d’exploration :

Explosion d'une bombe à hydrogène

Photographie : Explosion
d'une bombe à hydrogène

Champignon d'explosion atomique dû à un essai de bombe à hydrogène au début des années 1960. Une bombe à hydrogène est un exemple d'application à des fins militaires de la libération d'énergie lors de la fusion d'atomes légers, dont ceux de l'hydrogène. Le contrôle de cette... 

Crédits : Rob Atkins/ The Image Bank / Getty Images Plus

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– le confinement magnétique, qui utilise un champ magnétique puissant pour maintenir en régime stationnaire un mélange gazeux de deutérium-tritium peu dense. C’est la voie de recherche poursuivie par l’installation internationale ITER, installée à Cadarache en Provence ;

– le confinement inertiel, où des faisceaux laser très puissants compriment et chauffent un mélange solide deutérium-tritium hyperdense, comme dans le projet européen Hyper.

Malgré un volontarisme et des investissements à la hauteur de l’enjeu, c’est-à-dire une extraordinaire capacité de production d’énergie, les difficultés scientifiques et techniques s’accumulent depuis des décennies et retardent sans cesse l’échéance à laquelle la faisabilité du processus pourrait être démontrée. Les plus optimistes n’envisagent pas la réussite d’un tel programme de production d’électricité avant la seconde moitié du xxie siècle.

La pile à hydrogène

La seconde utilisation énergétique est celle de la pile à hydrogène, encore appelée pile à combustible. Il s’agit ici plutôt de stocker que de produire de l’énergie. Le principe est simple : puisque hydrogène et oxygène réagissent – de façon souvent explosive – pour former de l’eau mais surtout en dégageant de l’énergie, il s’agit de séparer l’hydrogène présent dans l’eau (par exemple dans des centrales solaires), de le stocker de manière stable, de le transporter pour le livrer à l’utilisateur soit pour une utilisation directe comme carburant – mais les moteurs conventionnels ne sont pas bien adaptés –, soit pour la production d’électricité par une pile à combustible. La réaction électrochimique qui crée le potentiel électrique se produit dans un ensemble de cellules reliées à des batteries de stockage d'énergie électrique. Le potentiel créé étant faible, on doit en général associer plusieurs centaines de cellules afin d’alimenter un moteur électrique capable d’agir sur les roues d’un véhicule. La réalisation concrète d’un tel programme industriel est complexe et mobilise aujourd’hui de nombreux acteurs industriels.

Pile à hydrogène, oxygène et solution d'hydroxyde de potassium

Dessin : Pile à hydrogène, oxygène et solution d'hydroxyde de potassium

Schéma d'une pile à hydrogène, oxygène et solution aqueuse d'hydroxyde de potassium. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Interprétation des raies du spectre de l’hydrogène

Interprétation des raies du spectre de l’hydrogène
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Les modèles successifs de l’atome

Les modèles successifs de l’atome
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Expérience de Rutherford

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Exemple de diagramme de phase de l’hydrogène

Exemple de diagramme de phase de l’hydrogène
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Écrit par :

  • : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau

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Pour citer l’article

Bernard PIRE, « HYDROGÈNE (physique) », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 11 janvier 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/hydrogene-physique/