fusion nucléaire

Imaginez un manège où, au lieu d'enfants, ce sont de minuscules aiguilles magnétiques qui prennent place dans de la poussière de diamant. D'habitude, ces aiguilles pointent dans toutes les directions et leur signal se perd dans le bruit. Mais si l'on incline le manège selon un angle particulier tout en l'éclairant avec un laser vert, les aiguilles commencent à s'aligner dans une même direction.

Après une explosion nucléaire, de la suie s'élève dans le ciel. Elle se dépose haut au-dessus des nuages, dans la stratosphère, et y reste pendant des années. Cette suie agit comme un rideau épais : elle bloque une partie des rayons du soleil et modifie la chimie du ciel.

La lumière frappe une cellule solaire — et à l'intérieur naissent des charges qui ont chaud. Comme un coureur après un sprint, elles transportent un excès d'énergie. Pour délivrer du courant dans le circuit extérieur, elles doivent refroidir et gagner les bords du cristal. Si le refroidissement traîne, une partie de l'énergie se perd en pure perte.

Les piles atomiques fonctionnant sur la désintégration du plutonium alimentent depuis plus de soixante ans les stimulateurs cardiaques et les sondes spatiales. Mais la matière première est rare : dans le monde entier, on ne produit que quelques kilogrammes de plutonium-238 par an, et cela suffit tout juste pour les missions les plus importantes.

Les piles atomiques fonctionnant sur la désintégration du plutonium alimentent depuis plus de soixante ans les stimulateurs cardiaques et les sondes spatiales. Mais la matière première est rare : dans le monde entier, on ne produit que quelques kilogrammes de plutonium-238 par an, et cela suffit tout juste pour les missions les plus importantes.

Lorsque deux noyaux atomiques se percutent, une minuscule boule de feu naît. Elle ne vit qu'un instant, mais en son sein se succèdent des époques entières : compression, échauffement, expansion. Les physiciens ont appris à écouter ce processus, et leur « micro » est constitué des paires d'électrons et de positons qui s'échappent de la boule à différents stades.

La course à l'énergie de fusion ressemble à une tentative de capturer un éclair dans une bouteille. Pendant des décennies, les physiciens se sont acharnés à reproduire sur Terre les processus qui alimentent le Soleil.

Trois minutes après le Big Bang, l'Univers jouait sa première symphonie. C'était la nucléosynthèse du Big Bang — la formation des noyaux légers, où chaque élément sonnait sa note, et le tempo était donné par l'expansion de l'espace.

Au cœur de chaque étoile à neutrons se cache une symphonie — un entrelacement complexe de champs quantiques et de gravité relativiste.

Dans le cœur brûlant d'une étoile, deux noyaux d'hélium se rapprochent comme deux danseurs sur une scène bondée. Leur danse, c'est la diffusion alpha, fondement de la combustion de l'hélium stellaire hélium]. La fluidité de leurs pirouettes détermine la vitesse à laquelle l'étoile consomme son carburant.

La collision de deux étoiles à neutrons est un laboratoire cosmique où la matière est comprimée à des densités inimaginables. Dans les premiers instants après la fusion, un nuage brûlant se forme et se refroidit en émettant des neutrinos.

La collision de deux étoiles à neutrons est une forge cosmique où se créent en quelques secondes les éléments les plus lourds du tableau périodique. En 2017, les détecteurs ont capté les ondes gravitationnelles d'une telle fusion, et les télescopes ont observé une lueur — une kilonova.

L'Univers s'étend en accélérant — comme une pâte qui lève de plus en plus vite, alors que la levure est épuisée depuis longtemps. Depuis vingt ans, les astronomes cherchent la cause et l'appellent énergie noire. Mais ce que c'est reste une énigme. Un nouveau travail propose une source inattendue : le vide à l'intérieur du noyau atomique.

Dans une casserole, l'eau bout : les bulles bouillonnent, la chaleur s'échappe rapidement dans l'air. Au centre du réacteur à fusion ARC, le plasma se comporte de la même manière – seulement au lieu de bulles, il y a des tourbillons turbulents, et au lieu de l'air, un champ magnétique qui doit retenir la chaleur.

En avril 2021, dans une galaxie située à 35 mégaparsecs, une supernova SN 2021foa a explosé. Elle a immédiatement intrigué les astronomes : son spectre passait frénétiquement des raies de l'hydrogène à celles de l'hélium — comme si l'étoile, à l'agonie, se débarrassait convulsivement de ses couches externes.

Au cœur du détecteur du Grand collisionneur de hadrons, des protons entrent en collision et, pendant un bref instant, quelque chose de lourd naît.

Deux étoiles à neutrons tournoient dans une dernière danse. Si leur rotation coïncide avec le mouvement orbital, les partenaires fusionnent proprement, éjectant un fin faisceau de matière incandescente. Si elles tournent en sens inverse, la danse se brise, dispersant un épais voile de débris.

Deux étoiles éteintes, de la taille de la Terre mais chacune plus lourde que le Soleil, tournent l'une autour de l'autre en se rapprochant toujours plus, jusqu'à ce que l'une percute l'autre. Le choc déclenche une explosion thermonucléaire, et naît une supernova de type Ia. Ces éruptions servent de balises cosmiques pour mesurer les distances dans l'Univers.

Les noyaux des atomes sont enveloppés dans de gros manteaux de fourrure électronique – avec une telle tenue, impossible de se faire un câlin. Mais remplacez le manteau léger par un lourd : le muon, une particule du modèle standard, comprime le nuage près de 200 fois.

De minuscules balles invisibles traversent le Soleil de part en part, sans presque remarquer sa matière. Ce sont les axions — des particules hypothétiques si légères et insaisissables qu'on les compare à des fantômes.

En 2017, les détecteurs ont capté un frémissement de l'espace — les ondes gravitationnelles issues de la fusion de deux étoiles à neutrons. Les télescopes ont aussitôt repéré un éclair de lumière : une explosion cosmique que les astronomes ont baptisée kilonova.

À l'intérieur d'une étoile à neutrons, la matière est si fortement comprimée que les noyaux atomiques s'agglutinent en longs filaments et en feuilles plates. Les astrophysiciens appellent ces structures des pâtes nucléaires. À leur surface, la densité de la matière chute presque à zéro — comme si vous surgissiez d'une gelée épaisse dans un air raréfié.

Le noyau atomique est un ressort naturel d'une force colossale. Lorsque les protons et les neutrons qui le composent se réorganisent, il passe dans un état particulier à longue durée de vie : l'isomère nucléaire. L'énergie y est emmagasinée comme un ressort comprimé à l'extrême.

Deux étoiles à neutrons — des vestiges d'astres morts, comprimés à la taille d'une ville mais pesant autant qu'un Soleil entier — tournent l'une autour de l'autre et finissent par entrer en collision. À cet instant naît un objet à mi-chemin entre un trou noir et un aimant surpuissant : un champ des milliards de fois plus intense que celui du plus puissant IRM.

Une casserole de soupe bouillante frémit, et on aimerait savoir à quel point chaque goutte est chaude à l'intérieur. Mais on ne peut plonger le thermomètre que sur le bord, là où ça bouillonne déjà moins.

Si vous serrez une poignée de sable dans votre poing, il se compacte d'abord, puis commence à résister – les grains n'ont plus de place où aller. Dans les profondeurs d'une étoile à neutrons, il se passe quelque chose de similaire, mais au lieu de grains de sable, ce sont des particules élémentaires, et au lieu d'une main, c'est une gravité monstrueuse.

Dans une casserole de soupe bouillante, les courants bouillonnants transportent la chaleur vers les parois, et la soupe refroidit. Dans un tokamak — une immense bouteille magnétique pour le plasma — il se passe la même chose : les tourbillons de turbulence emportent l'énergie vers l'extérieur, empêchant d'allumer la réaction de fusion.

Une balançoire ne se met à osciller que si on la pousse en rythme. Décalez légèrement vos poussées, et vos efforts sont perdus. C'est à peu près ainsi que la lumière interagit avec le noyau atomique : en général, un photon n'est absorbé que si son énergie correspond exactement à la différence entre les niveaux nucléaires.

Deux étoiles à neutrons se rapprochent en spirale, prêtes à fusionner en un instant. Leur danse ne dure que quelques fractions de seconde, mais juste avant le final, l'une des étoiles percute l'enveloppe magnétique de l'autre — tel un nageur qui fend l'eau en soulevant des vagues. À cet instant naît un système complexe de courants qui emportent l'énergie au loin.

Deux étoiles à neutrons sont des résidus ultra-denses d'astres morts, chacune de la taille d'une ville mais plus lourde que le Soleil. Dès 1934, leur existence fut prédite par Fritz Zwicky. Une cuillère à café de cette matière pèse des milliards de tonnes.

Le noyau de l'atome de thorium-229 est comme une corde de guitare tendue : il vibre à une fréquence strictement définie. Pour en « tirer le son », il faut un coup précis — un faisceau laser d'une couleur bien précise.

La fusion d'un proton avec du bore-11 promet une énergie sans neutrons nocifs – seulement des particules chargées, facilement convertibles en électricité.

Une bouilloire refroidit sur la table. La chaleur s'échappe dans l'air, et c'est du gaspillage. Pourtant, on pourrait en tirer un peu d'électricité. Les dispositifs capables de cela s'appellent des générateurs thermomagnétiques. À l'intérieur, pas de pistons ni de turbines, seulement un matériau qui modifie ses propriétés magnétiques lorsqu'il est chauffé ou refroidi.

Une étoile à neutrons est le vestige d'une étoile explosée, comprimé à la taille d'une ville. À sa surface, un incendie thermonucléaire peut parfois se déclencher : le gaz accumulé explose comme une bombe à hydrogène géante. Après l'éruption, il reste des cendres — un mélange d'éléments lourds qui remonte à la surface et forme une atmosphère brûlante.

L'azote — ce même gaz que nous respirons — se comporte comme un métal capricieux sous une pression d'un million d'atmosphères. Dans une cellule à enclumes de diamant, on le comprime jusqu'à 78–98 gigapascals et on le chauffe au laser jusqu'à 1800–2500 kelvins.

Un piège magnétique en forme de beignet confine un plasma de bore et d'hydrogène. À l'intérieur, la température dépasse les cent millions de degrés — plus chaud qu'au cœur du Soleil. À cette chaleur, les noyaux entrent en collision et fusionnent, libérant de l'énergie.

Un réacteur nucléaire classique ressemble à une chaudière où le combustible brûle uniformément dans tout le volume. Ici, le tableau est différent : le long d'une barre cylindrique en carbure d'uranium rampe lentement une onde de fission — une zone étroite où les atomes se scindent et dégagent de la chaleur.

Chaque molécule est comme un jeu de construction d'atomes : les mêmes pièces peuvent être assemblées de différentes manières. Deux assemblages avec le même ensemble d'atomes mais une géométrie différente sont appelés isomères. Si l'un s'obtient de l'autre par une simple rotation autour d'une liaison, ce sont des conformères, comme un bras plié ou tendu.

Lorsqu'une étoile massive meurt, son cœur se contracte en une étoile à neutrons, tandis que les couches externes sont éjectées dans une explosion. À ce moment naît un nuage de neutrinos incroyablement dense — des particules qui interagissent à peine avec la matière, mais qui « discutent » activement entre elles.

Une étoile à neutrons est le vestige d'une étoile explosée, comprimé à la taille d'une ville. En son cœur, la matière est si dense qu'une cuillère à café de cette matière pèserait autant qu'une montagne. À une telle densité, comme le prédit la théorie des interactions fortes, les particules acquièrent des « jumeaux » – des partenaires de parité.