La fusion nucléaire est l’un des processus les plus énergétiques de l'univers, jouant un rôle central dans la production d'énergie dans le cœur des étoiles. Ainsi, la fusion des noyaux atomiques, c’est-à-dire leur union pour former un noyau plus lourd, nécessite d'énormes quantités d'énergie pour surmonter certaines forces fondamentales qui agissent à des échelles microscopiques. Quelles sont ces forces qu'il faut vaincre pour fusionner des noyaux d'atomes ?
La force nucléaire forte est la plus puissante des quatre forces fondamentales. La portée de l'interaction forte est d'environ 10^-15 mètre, c'est-à-dire la taille d'un nucléon (environ 1 femtomètre). Cette force est extrêmement puissante à courte distance, et elle est responsable de la cohésion des nucléons dans le noyau. Elle est attractive et surpasse la répulsion électrostatique entre protons lorsque ceux-ci sont très proches les uns des autres. Sans cette force, les protons, qui se repoussent mutuellement à cause de leur charge positive, ne pourraient pas rester ensemble dans le noyau. Cependant, cette force n'agit pratiquement pas au-delà de quelques femtomètres.
Ainsi, pour coller deux protons, il est nécessaire qu'ils soient amenés extrêmement près l'un de l'autre. Une fois que les protons sont suffisamment rapprochés (à une distance d'environ 1 femtomètre), la force nucléaire forte entre en jeu. Cette force est attractive et agit pour maintenir les nucléons (protons et neutrons) ensemble dans le noyau.
N.B. :
L'interaction forte est égale à 1 (c’est la force de référence). Sa constante de couplage est environ cent fois plus grande que celle de l'interaction électromagnétique, un million de fois plus grande que celle de l'interaction faible, et 10^38 fois plus grande que celle de la gravitation.
La force de Coulomb est une force fondamentale de la nature qui décrit l'interaction entre des charges électriques (électrons, protons, ions, etc.). Elle s'applique uniquement aux objets portant des charges électriques, qu'elles soient positives ou négatives. Elle constitue l'un des piliers de l'électromagnétisme.
Entre les protons, la force électrostatique répulsive est omniprésente en raison de leurs charges positives. Cette force agit sur de plus grandes distances (bien au-delà des quelques femtomètres de la force nucléaire forte) et crée ce que l'on appelle la barrière coulombienne. Cette barrière est l'obstacle énergétique principal qui empêche les noyaux chargés de fusionner à basse énergie. Elle est égale à 10^−2 (par rapport à la force nucléaire forte).
Ainsi, quand deux noyaux atomiques se rapprochent, leur énergie potentielle d’interaction augmente avec la répulsion coulombienne, puis passe par un maximum qu'il faut franchir pour arriver à la fusion nucléaire.
Les protons, qui sont chargés positivement, exercent une force de répulsion électrostatique les uns envers les autres, connue sous le nom de force de Coulomb. Pour qu'une fusion se produise, il faut surmonter cette force de répulsion électrostatique.
La force nucléaire forte agit à très courte portée, généralement de l'ordre de 1 femtomètre. Les noyaux doivent donc être très proches pour que cette force puisse agir. Cela nécessite une énergie considérable pour rapprocher les noyaux suffisamment près pour que la force nucléaire forte puisse prendre le relais et permettre la fusion.
Pour vaincre ces deux forces, la fusion nucléaire nécessite des vitesses très élevées, et donc des températures extrêmement élevées, pour fournir l'énergie cinétique nécessaire. Ces conditions se trouvent au cœur des étoiles, où des températures de plusieurs dizaines millions de degrés Celsius sont atteintes en raison des pressions énormes au cœur de ces étoiles. À des températures si élevées, la matière se trouve dans un état de plasma, où les électrons sont séparés des noyaux, permettant une plus grande liberté de mouvement aux noyaux eux-mêmes.
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