FUSION – source de l`énergie des étoiles

FUSION – source de l’énergie des étoiles
Le phénomène de la fusion thermonucléaire représente, hormis la contraction gravitationnelle, la
seule source de l’énergie stellaire. Elle est aussi à l’origine des éléments chimiques dont le numéro
atomique Z > 2.
Le type des processus nucléaires à l’intérieur des étoiles est influencé radicalement par la
température. Si la température centrale n’excède pas quinze millions de kelvins, le cycle du proton est
le prédominant. A condition que la température dépasse les 1,5.107 K, le cycle du carbone se met en
place. Les deux cycles assurent la transformation des noyaux d’hydrogène en noyaux d’hélium.
D’autres nucléides tels que
12 16 20
6 8 10
, , ...C O Ne
sont créés par le processus à température encore plus
élevée (d’ordre 108 K).
1. Le cycle du proton (dans le Soleil)
Le produit d’une réaction entre chaque fois dans la réaction suivante en tant que réactif. Vous avez à
compléter les équations et calculer l’énergie libérée. On admettra, pour simplifier, que l’énergie
emportée par les neutrinos est négligeable par rapport aux autres énergies intervenant dans les
réactions. On vous rappelle la relation d’Einstein pour l’énergie de masse
2
E mc
et les masses des
noyaux et particules :
m(hydrogène) = 1,007276 u m(deutérium) = 2,01345 u m(hélium 3) = 3,01493 u
m(hélium 4) = 4,00150 u m(neutrino) = 0 u m(positron) = m(électron) = 5,486.10-4 u
énergie libérée
1 1 0 0
1 1 1 0
...........H H e
..................... MeV
1
1
........... ...........H
..................... MeV
1
1
2 ........... .......... 2 H
..................... MeV
au total
.............. ............. ............. ................  
..................... MeV
Nous pouvons conclure que la fusion dans les étoiles de dimensions comparables au Soleil engendre la
transformation de .... noyaux d’ .................. en un noyau d’ ................... .
Le bilan énergétique n’est pas encore complet : il faut tenir compte de l’annihilation des positrons.
En fait, lorsqu’une particule rencontre son antiparticule (p. ex. électron positron, proton antiproton,
etc.) de même masse et de charge opposée, elles annihilent, c’est-à-dire elles « disparaissent » et,
simultanément, deux photons sont créés. Au cours de l’annihilation, la masse totale n’est pas
conservée, mais l’énergie totale l’est. C’est un processus impressionnant où l’énergie de masse se
convertit en énergie du rayonnement.
L’équation de l’annihilation électron-positron s’écrit
............... ................ 2  
et elle libère
une énergie de ................. MeV. L’équation-bilan du cycle du proton s’écrit donc
10
11
4 2 ................ ................He
.
L’énergie disponible est de ................ MeV, soit ................... J par noyau d’hélium formé.
Chaque seconde, 1038 noyaux d’hélium sont formés au sein du Soleil. La puissance émise par le
Soleil est donc environ ...................W ce qui est ...............de fois de plus en comparaison à la
puissance de la centrale nucléaire de Dukovany (P = 1000 MW).

2. Cycle du carbone
(Prix Nobel de Physique pour Hans Albrecht Bethe en 1967)
Cette suite de réactions peut se réaliser dans les étoiles de masse supérieure à environ 1,4.(masse du
Soleil) dont la température centrale est nettement supérieure (p. ex. Sirius). Pourtant, elle aboutit au
même résultat. Complétez les équations de la même manière comme précédemment.
12 1
61
1
1
1
1
............
: .............. ............. ............. .............
.............. ..............
.............. ..............
: .............. ............
CH
H
H
14
12
.. ............ .............
.............. .............H He
au total :
.............. ............. ............. ................  
Le carbone joue le rôle de catalyseur. Il rentre dans les réactions, mais il ressort intact. Les gains
énergétiques du cycle du proton et du cycle du carbone sont pareils car les équations-bilans sont de
même forme.