MÉCANISME DE FUSION DE L'HYDROGÈNE DANS UNE ÉTOILE
(Réunion 2003 4 pts)
On se propose de commenter un extrait d'article du dossier hors
série de la revue « Pour la science » de janvier 2001.
« ...La phase de fusion (ou combustion) de l'hydrogène est
la plus longue de la vie des étoiles. Si
la masse stellaire est comparable ou inférieure à celle du Soleil, la
température centrale est inférieure à une vingtaine de millions de degrés.
Dans ces conditions, la fusion de deux noyaux d'hydrogène (ou protons)
produit un noyau de Deutérium qui capture un autre proton et forme un noyau
d'Hélium 3 ... Finalement, deux noyaux d'Hélium 3 fusionnent en un noyau
d'Hélium 4 ...L'ensemble de ces réactions constitue la première des chaînes
proton - proton ou chaîne p-p, la plus importante dans le cas du Soleil ...».
NB : les 3 parties de l'exercice sont indépendantes et peuvent
donc être traitées indépendamment les unes des autres.
Les valeurs numériques ont été volontairement simplifiées, afin de
permettre la réalisation des calculs sans faire usage de la calculatrice.
A - QUELQUES
CONSIDÉRATIONS DE VOCABULAIRE
A-1 Donner une définition rapide des
mots « fusion nucléaire » et « fission nucléaire ».
A-2 En
considérant les charges des noyaux en cause dans le mécanisme de fusion,
expliquer pourquoi ces réactions ne peuvent se produire qu'à très haute
température ( 2,1.107 °C). On parle alors de fusion
thermonucléaire...
B - ÉTUDE DE LA
CHAÎNE DE RÉACTIONS
Notations utilisées pour les noyaux concernés :
Hydrogène (ou proton) : 
H (ou p) Deutérium
: 
H Hélium 3 : 
He Hélium
4 : 
He
B-1
Écrire la réaction de fusion de deux noyaux d'hydrogène en un noyau de
deutérium et une particule que l'on notera sous la forme 
X .Comment s'appelle cette particule ?
B-2 Écrire la réaction de fusion d'un
noyau de deutérium et d'un proton en un noyau d'hélium 3.
Cette fusion s'accompagne de l'émission d'un photon. Comment
peut-on interpréter cette émission ?
B-3 Écrire la réaction de fusion de
deux noyaux d'hélium 3 en un noyau d'hélium 4. Cette fusion s'accompagne de
l'émission de deux autres noyaux identiques. Lesquels ?
B-4 Écrire la réaction bilan des trois
réactions de fusion précédentes, qui, à partir de noyaux d'hydrogène, permet
d'obtenir un noyau d'hélium 4.
C - CONSIDÉRATIONS
ÉNERGÉTIQUES. LE SOLEIL "MAIGRIT-IL" ?
On considère désormais la réaction suivante 4 H à He + 2 
e + 2 g
On donne les masses des noyaux, en
unité de masse atomique :
H : 1,0073 u
He : 4,0026 u e: 0,0006 u
l u correspond à une énergie de 935,5 MeV (» 1000
MeV)
C-1
Calculer la perte de masse correspondant à cette fusion.
C-2
En déduire une estimation, en MeV, de la valeur de l'énergie libérée par
nucléon lors de cette fusion.
On choisira, parmi les estimations suivantes, la réponse correcte
:
0,6 MeV 6 MeV
60 MeV
C-3. Le soleil transforme, chaque
seconde, m = 720 millions de tonnes d'hydrogène en hélium 4.
Estimer la perte de masse m’’ subie, chaque seconde, par le soleil.
On choisira, parmi les estimations suivantes, la réponse correcte
:
4 500 tonnes 45 000 tonnes
450 000 tonnes 4
500 000 tonnes
NB : On pourra remarquer que le
rapport 0,0254/4,0292 est très peu différent de 1/160.