Fission nucléaire et fusion nucléaire : ce qu'il faut retenir
En libérant une forte quantité d’énergie, les phénomènes de fission et de fusion nucléaire sont utilisés pour la production de l’électricité.
Quand la fission reste la technologie la plus utilisée dans nos réacteurs nucléaires, la fusion embrasse un avenir prometteur vers une production énergétique plus abordable et générant peu de déchets radioactifs. Avec une demande mondiale en électricité qui va presque doubler d’ici à 2050, la fission et la fusion contribuent au futur d’une production industrielle décarbonée.
Retour sur ces impacts au cœur de nos réacteurs, pour comprendre leurs avantages et leurs applications industrielles.
Fission et fusion nucléaire, quelles différences ?
Les phénomènes de fusion nucléaire et de fission nucléaire ont pour unique point commun : l’atome.
Le processus de la fission, comme son nom l’indique, traduit la division d’un
atome lourd en 2 atomes légers. Avec la fusion, c’est le phénomène inverse : deux atomes légers fusionnent pour constituer un plus gros atome.
Le phénomène de fission nucléaire
La fission se produit lors de la projection d’un neutron sur un atome lourd et instable. Cette collision va générer l’éclatement de ce dernier en 2 atomes plus légers.
Lors de ce processus, une quantité
importante et stable d’énergie est libérée et de nouvelles fissions d’atomes vont être provoquées en continu, c’est la réaction en chaîne.
Dans cette opération, le combustible utilisé est l’uranium 235. Sa composition et ses propriétés physiques correspondent parfaitement au processus de fission. Le noyau atomique de l’uranium
235 est capable de se casser en 2 sous l’impac
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L’expérimentation de la fusion nucléaire
Contrairement à la fission nucléaire, l’énergie de fusion est au stade expérimental. Sa mise en application reste plus difficile par sa nécessité de réunir des conditions extrêmes de pression et de température.
Le processus est en effet équivalent à la réaction nucléaire, qui alimente le cœur des étoiles, comme notre soleil (soit nécessitant plusieurs centaines de millions de degrés).
« Le saviez-vous ?
Le soleil est une boule de gaz chaud qui rayonne et produit de l’énergie. Au cœur du soleil, les températures peuvent grimper jusqu’à 15 millions de degrés.
La fusion nucléaire reproduit l’assemblage de 2 isotopes (type d’atomes avec un nombre de protons identique) de l’hydrogène : le deutérium et le tritium.
La fusion de ces isotopes stables et légers d’hydrogène donnent un atome d’hélium. C’est cette réaction qui libère une quantité importante d’énergie.
Un des grands avantages du deutérium est qu’il est inépuisable dans les océans terrestres. Combiné au tritium (très peu instable) et radioactif, ce mélange peut générer une énergie en quantité suffisante, capable de répondre à la demande croissante des populations mondiales.
La fission nucléaire, une exploitation industrielle éprouvée
En France, les réacteurs utilisent le processus de fission nucléaire. Il s’agit de réacteurs à eau pressurisée.
A l’origine, la fission nucléaire a été découverte par une physicienne autrichienne, Lise Meitner et le chimiste allemand Otto Hahn, lauréat, pour ses découvertes, du prix Nobel de chimie de 1944.
Il
faut attendre les années 1960 pour s’appuyer sur la technologie de fission dans la production de l’électricité, avec la conception des 1ers réacteurs civils.
La technologie
a fortement évolué. A l’origine, les réacteurs contenaient de l’uranium naturel et sollicitaient de l’eau dite lourde, car chargée en graphite pour ralentir les neutrons. Le transport de chaleur faisait
appel à du gaz et était donc générateur d’émissions de CO2.
Aujourd’hui, la technologie nucléaire en France utilise des réacteurs à eau pressurisée, contenant de l’hydrogène et ne fait plus appel au gaz. L’eau sert de modérateur de neutrons et de fluide rafraichissant.
L’uranium utilisé comme combustible, est désormais enrichi pour contenir davantage d’uranium 235, plutôt que de l’uranium naturel.
La technologie de fission nucléaire est mature et a fait ses preuves. Elle contribue à répondre aux besoins en électricité des populations, tout en produisant une énergie décarbonée.
Pour en savoir plus : Lutte contre le réchauffement climatique, pourquoi choisir le nucléaire | Orano
A travers le monde, l’utilisation de la fission nucléaire trouve d’autres applications selon les différents designs de réacteurs, comme ceux de génération 4 à neutrons rapides.
L’énergie de fusion nucléaire et les réacteurs du futur
Encore au stade expérimental, la fusion nucléaire nourrit les espoirs d’une production énergétique en grande quantité, décarbonée et quasi continue. Elle serait peu émettrice de déchets,
également nettement moins radioactifs.
A quantité égale, la fusion nucléaire permettrait de produire 4 millions de fois plus d’énergie que les énergies fossiles : pétrole,
gaz et charbon.
Véritable défi technologique, ce processus requiert un confinement de chaleur à hauteur de 150 millions de degrés. Les réacteurs doivent à la fois éviter que les parois ne fondent, tout en maintenant la fusion le plus longtemps possible.
2 méthodes sont utilisées pour faire fusionner les atomes : le confinement inertiel et le confinement magnétique.
Le confinement inertiel
Avec le confinement inertiel, la fusion nucléaire est déclenchée en focalisant des faisceaux lasers à haute puissance sur une capsule de combustible, qui contient un mélange de deutérium
et de tritium.
Chauffés à de très hautes températures, ces deux isotopes d’hydrogène vont ainsi entrer en collision et fusionner en atomes d’hélium plus lourds, produisant un volume colossal
d’énergie.
Le confinement magnétique :
La méthode du confinement magnétique transforme les atomes de deutérium et de tritium en plasma, qui fusionnent sous l’effet d’un champ magnétique. Des réacteurs expérimentaux reproduisent ce type de fusion nucléaire. Il s’agit des tokamaks, dont le cœur en forme d’anneau permet la mutation du gaz d’hydrogène en plasma, sous l’influence d’une température et d’une pression extrêmes.
Les bobines magnétiques autour de la paroi viennent contrôler les particules du plasma.
En Chine, le réacteur à fusion nucléaire, le tokamak East, a battu un record en janvier 2022, en maintenant la température des 70 millions de degrés (soit plus de 4 fois la température au cœur du soleil) pendant plus de 17 minutes.
Le réacteur chinois avait réussi également à contenir 120 millions de degrés pendant 101 secondes et 160 millions de degrés pendant 20 secondes.
Même si les réacteurs à fusion nucléaire sont prometteurs et détiennent un rôle clé dans notre avenir énergétique, leurs exploitations industrielles ne devraient pas arriver avant 2050.
Découvrir le confinement magnétique expliqué en vidéo :
Un kilogramme du mélange de deutérium et de tritium permet de fournir autant d’énergie qu’environ 4kg d’uranium 235 et autant qu’environ 10.000 tonnes de charbon.
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