La fusion nucléaire consiste à utiliser deux atomes légers pour obtenir un atome lourd et de l’énergie. Cette technique a un meilleur rendement que la fission nucléaire (la technique utilisée dans les centrales nucléaires), n’émet pas de déchets radioactifs ni de gaz à effet de serre, ce qui en fait une énergie d’avenir si on arrive à optimiser ces techniques et à les utiliser à grande échelle.
L’énergie nucléaire est aujourd’hui la principale source d’électricité en France, avec près de 70% de la production nationale. On compte aujourd’hui 56 réacteurs répartis sur 18 sites, avec une capacité de production de 63 GW d’électricité. Selectra permet de voir en temps réel la production d’électricité nucléaire en France.
Qu’est-ce que la fusion nucléaire ?
On entend beaucoup parler de la fusion nucléaire, des avancées scientifiques, mais pour ceux qui ne sont pas dans ce domaine, il peut être difficile de l’appréhender. Qu’est-ce que la fusion nucléaire ? Comment fonctionne-t-elle ?
Définition de la fusion nucléaire
La fusion nucléaire, souvent appelée fusion atomique, est une transformation nucléaire qui consiste en la combinaison de deux noyaux atomiques légers pour former un noyau plus lourd. Le noyau plus lourd pèse moins lourd que la somme des noyaux légers, la différence est donc libérée en énergie.
L’énergie nucléaire est l’énergie libérée par les réactions nucléaires, qu’elles soient de fusion ou de fission. Elle est utilisée principalement dans les centrales nucléaires pour produire de l’électricité.
La fusion nucléaire, en particulier, est une source d’énergie prometteuse en raison de son potentiel à produire une grande quantité d’énergie avec relativement peu de déchets.
C’est quoi l’énergie nucléaire ?
Pour définir simplement l’énergie nucléaire, il s’agit de l’énergie libérée par le noyau des atomes, lorsque ces derniers sont transformés. Cela peut se produire lors d’une fusion ou d’une fission.
Schéma de la fusion nucléaire
La fusion nucléaire fonctionne en combinant des noyaux atomiques légers pour former un noyau plus lourd. Habituellement, les noyaux atomiques légers utilisés sont le deutérium et le tritium, qui se transforment en de l’hélium et un neutron.
La fusion nucléaire peut être représenté par l’équation suivante :
| D + T → He + n + énergie |
D = deutérium
T = tritium
He = hélium
n = un neutron
Voici le schéma de la fusion nucléaire :
Ce processus nécessite des températures extrêmement élevées, de l’ordre de plusieurs millions de degrés Celsius, pour surmonter la répulsion électrostatique entre les noyaux, et permettre la fusion des atomes. Les réacteurs à fusion sont conçus pour atteindre ces températures et maintenir le plasma de fusion stable.
Différentes techniques de fusion nucléaire
À l’état naturel, les différents atomes ne sont pas faits pour pouvoir fusionner. Le principe de répulsion électrostatique permet à chaque élément de rester tel qu’il est. Pour pouvoir fusionner des atomes, il faut donc utiliser un procédé particulier. Plusieurs techniques de fusion sont possibles.
La fusion thermonucléaire
La fusion thermonucléaire est la technique la plus couramment utilisée pour la production d’énergie par fusion. Elle repose sur le chauffage des noyaux atomiques à des températures extrêmement élevées (plusieurs millions de degrés) pour provoquer leur fusion. Les réacteurs à fusion thermonucléaire, comme le Tokamak, utilisent des champs magnétiques pour confiner le plasma chaud et maintenir la réaction de fusion.
La fusion inertielle
La fusion inertielle est une autre technique de fusion nucléaire qui utilise des lasers ou des faisceaux de particules pour comprimer et chauffer une petite quantité de combustible de fusion, comme le deutérium et le tritium, jusqu’à ce qu’elle atteigne les conditions nécessaires pour la fusion. Cette méthode est étudiée dans des installations comme le National Ignition Facility aux États-Unis.
La fusion à froid
Depuis plusieurs décennies, les scientifiques essayent de réaliser une fusion nucléaire dans des conditions de température et pression ambiantes. Ceci permettrait de produire de l’énergie à beaucoup plus grande échelle et avec des équipements bien moins coûteux, avec un potentiel énergétique 4 millions de fois plus grand que l’énergie au charbon, en théorie.
Plusieurs scientifiques ont annoncé avoir réussi depuis 1989, mais personne n’a été capable de reproduire ces expériences de façon convaincante. Diverses équipes à travers le monde continuent d’essayer de trouver une technique qui permettrait de fusionner des atomes à froid, considérée comme le Saint Graal de la physique.
La fusion du soleil, une inspiration
La fusion nucléaire du soleil est un exemple naturel de fusion thermonucléaire. Le soleil perd environ 4 millions de tonnes de masse chaque seconde en raison de la fusion nucléaire, convertissant cette masse en énergie selon la célèbre équation d’Einstein, E=mc². Cette énergie est la source de la lumière et de la chaleur que nous recevons sur Terre.
Différence entre fusion et fission
La fusion et la fission sont deux types de réactions nucléaires qui libèrent de l’énergie, mais elles diffèrent fondamentalement dans leur processus.
La fission nucléaire, ou fission atomique, implique la division d’un noyau lourd en deux noyaux plus légers, libérant de l’énergie et des neutrons. Elle est utilisée dans les centrales nucléaires, tel que l’EPR de Flamanville, pour produire de l’électricité.
En revanche, la fusion nucléaire combine des noyaux légers pour former un noyau plus lourd, libérant également de l’énergie. C’est en fait la transformation inverse.
La principale différence entre la fusion et la fission réside dans les déchets produits : la fission génère des déchets radioactifs à longue durée de vie, tandis que la fusion produit des déchets beaucoup moins radioactifs et à durée de vie plus courte. C’est pour cela que les équipes de recherche à travers le monde travaillent à généraliser cette pratique.
Fusion nucléaire : avantages, inconvénients et dangers
Après avoir vu le fonctionnement de la fusion nucléaire, se pose la question de connaître les avantages, les inconvénients et les dangers de la fusion nucléaire.
Les avantages de la fusion nucléaire
La fusion nucléaire présente plusieurs avantages significatifs. On soulignera les avantages suivants :
- Source d’énergie quasi illimitée : La fusion nucléaire offre une source d’énergie quasi illimitée, car elle utilise des isotopes d’hydrogène, comme le deutérium, qui sont abondants dans l’eau de mer.
- Faible production de déchets radioactifs : La fusion nucléaire produit beaucoup moins de déchets radioactifs que la fission nucléaire, ce qui réduit considérablement les problèmes de gestion des déchets.
- Sécurité : La fusion nucléaire est intrinsèquement plus sûre que la fission, car elle ne peut pas provoquer de réactions en chaîne incontrôlables, minimisant ainsi les risques d’accidents graves.
- Pas d’émissions de gaz à effet de serre : La fusion nucléaire ne produit pas de gaz à effet de serre, contribuant ainsi à la lutte contre le changement climatique.
Les inconvénients de la fusion nucléaire
Malgré ses avantages, la fusion nucléaire présente également des inconvénients :
- Défis technologiques : Le principal obstacle est la difficulté technique à maintenir un plasma chaud et stable pendant une durée suffisante pour produire de l’énergie de manière continue. Initier la fusion nécessite des températures extrêmement élevées, de l’ordre de 100 millions de degrés Celsius, ce qui pose des défis technologiques majeurs. De plus, les matériaux utilisés dans les réacteurs à fusion doivent résister à des conditions extrêmes, ce qui nécessite des avancées significatives en matière de science des matériaux.
- Coûts élevés : Les projets de recherche, de développement et de construction des réacteurs à fusion entraînent des coûts extrêmement élevés, ce qui limite les investissements et ralentit les progrès dans ce domaine.
- Calendrier de réalisation étendu : Les progrès sont lents et les délais de mise en œuvre sont souvent longs.
Les dangers de la fusion nucléaire
Bien que la fusion nucléaire soit généralement considérée comme plus sûre que la fission, elle n’est pas exempte de dangers.
Les principaux risques sont liés à la manipulation et au stockage des matériaux radioactifs, comme le tritium, qui est utilisé comme combustible. Le tritium est radioactif et peut poser des risques pour la santé en cas de fuite ou de contamination.
De plus, les réacteurs à fusion produisent des neutrons à haute énergie, qui peuvent rendre les matériaux radioactifs par activation neutronique. Ces matériaux activés doivent être gérés avec soin pour éviter toute contamination environnementale.
Enfin, bien que les risques d’accidents graves soient faibles, des incidents techniques peuvent survenir, nécessitant des mesures de sécurité rigoureuses pour protéger les travailleurs et l’environnement.
Les grands projets actuels sur la fusion nucléaire
Le projet international ITER
Le projet international ITER, ou International Thermonuclear Experimental Reactor, est l’un des plus ambitieux projets de recherche sur la fusion nucléaire. Situé à Cadarache, en France, ITER vise à démontrer la faisabilité scientifique et technologique de la fusion nucléaire comme source d’énergie. Des milliers d’ingénieurs et scientifiques, et plus largement l’UE, les USA, la Russie, la Corée, le Japon, l’Inde et la Chine se sont investis dans la construction de ce réacteur à fusion, et dans ce projet d’envergure.
Le réacteur à fusion d’ITER utilise le confinement magnétique pour maintenir un plasma chaud à des températures extrêmement élevées, similaires à celles du cœur du Soleil, et pour en comprendre le fonctionnement. L’objectif étant de supprimer la nécessité de faire appel à un système de chauffage externe, et d’arriver à produire le tritium au sein même du réacteur.
Le projet nippo-européen “l’énergie des étoiles”
Le projet nippo-européen, également connu sous le nom de « l’énergie des étoiles« , est une collaboration entre le Japon et l’Europe visant à développer des technologies de fusion nucléaire. Ce projet se concentre sur l’utilisation de lasers pour initier des réactions de fusion, une approche différente de celle utilisée par ITER.
L’objectif est de créer des conditions semblables à celles des étoiles pour produire de l’énergie de manière contrôlée et durable. Cette collaboration internationale permet de combiner les ressources et les expertises des deux régions pour surmonter les défis technologiques et scientifiques associés à la fusion nucléaire.
Le laboratoire américain Lawrence Livermore
Le laboratoire américain Lawrence Livermore est un autre acteur majeur dans le domaine de la recherche sur la fusion nucléaire. Situé en Californie, ce laboratoire est à la pointe des technologies de fusion par confinement inertiel. C’est notamment ce laboratoire qui a réussi à obtenir un gain net d’énergie, c’est-à-dire à dégager plus d’énergie que la fusion n’en a consommé.
En utilisant des lasers de haute puissance, le laboratoire vise à comprimer et chauffer des cibles de combustible pour initier des réactions de fusion. Les recherches menées à Lawrence Livermore contribuent non seulement à la compréhension fondamentale des processus de fusion, mais aussi au développement de technologies avancées pour des applications énergétiques futures. Le laboratoire collabore également avec d’autres institutions de recherche à travers le monde pour accélérer les progrès dans ce domaine prometteur.
FAQ sur la fusion nucléaire
Qu’est-ce que la fusion nucléaire ?
La fusion nucléaire est un processus par lequel des noyaux atomiques légers, comme ceux de l’hydrogène, se combinent pour former des noyaux plus lourds, libérant ainsi une grande quantité d’énergie. Ce processus est similaire à celui qui se produit dans les étoiles, y compris notre Soleil.
Quelles sont les perspectives futures de la fusion nucléaire ?
Les perspectives futures de la fusion nucléaire sont prometteuses, permettant de générer une grande quantité d’énergie avec un impact environnemental minime, mais de nombreux défis restent à surmonter. Les progrès réalisés dans des projets comme ITER et les recherches menées dans des laboratoires comme Lawrence Livermore montrent que la fusion nucléaire pourrait devenir une source d’énergie viable à long terme. Cependant, des investissements continus en recherche et développement sont nécessaires pour atteindre cet objectif.
