Fission & fusion nucléaires

Fission nucléaire

Lorsqu'un neutron lent frappe un noyau d'uranium 235, celui-ci peut éclater en deux fragments de masse moyenne — accompagné de deux à trois neutrons nouvellement libérés et d'une quantité d'énergie considérable. Comme ²³⁵U se situe au-delà du maximum d'énergie de liaison atteint par le fer, les fragments produits sont plus fortement liés que le noyau de départ — la différence est libérée sous forme d'énergie.

Comme chaque fission produit plusieurs nouveaux neutrons capables à leur tour de fissionner d'autres noyaux, il peut en résulter une réaction en chaîne auto-entretenue — contrôlée dans un réacteur nucléaire, incontrôlée dans une arme nucléaire. Pour que la réaction ne s'interrompe pas, une quantité minimale de matière fissile doit être présente : la masse critique.

Fusion nucléaire

À l'autre extrémité de la courbe d'énergie de liaison se trouve la fusion : lorsque deux noyaux légers comme le deutérium (²H) et le tritium (³H) fusionnent pour former de l'hélium, le noyau résultant est plus fortement lié que les deux noyaux de départ réunis — là encore, la différence est libérée sous forme d'énergie, et même nettement plus par nucléon que lors de la fission.

Le problème : les deux noyaux sont chargés positivement et se repoussent électrostatiquement. Ce n'est qu'à des températures de plusieurs dizaines de millions de degrés — comme au cœur du Soleil ou dans un réacteur à fusion — que les noyaux se déplacent assez vite pour que certains d'entre eux franchissent la barrière coulombienne (avec un coup de pouce de l'effet tunnel quantique). Maîtriser ce problème est la raison pour laquelle la fusion nucléaire contrôlée n'est, à ce jour, toujours pas exploitable commercialement sur Terre.

E = mc² en comparaison

Fission comme fusion libèrent un défaut de masse infime sous forme d'énergie — mais dans un ordre de grandeur qui éclipse toute réaction chimique : un kilogramme d'uranium 235 fournit, lors d'une fission complète, environ autant d'énergie que deux à trois millions de kilogrammes de charbon lors de leur combustion.

Centrale à fission contre réacteur à fusion

Au-delà de 100 millions de degrés, il n'existe plus de combustible solide ou liquide, mais uniquement du plasma — un gaz de noyaux atomiques et d'électrons libres, électriquement chargés. Aucun matériau connu ne pourrait former une paroi de cuve capable de supporter cette température sans contact ; le moindre contact direct refroidirait instantanément le plasma et vaporiserait la paroi. La solution exploite précisément la charge électrique du plasma : les particules chargées peuvent se déplacer presque librement le long des lignes de champ magnétique, mais très difficilement perpendiculairement à celles-ci — la force de Lorentz les contraint à des trajectoires en spirale serrée autour des lignes de champ. En courbant ces lignes de champ de manière à former des anneaux fermés sur eux-mêmes, par exemple sous la forme d'un tore (une forme de donut), le plasma peut circuler sur ces trajectoires sans jamais toucher une paroi — une « bouteille magnétique » invisible. Cela nécessite d'imposantes bobines magnétiques, le plus souvent supraconductrices, disposées autour de l'enceinte à vide, qui produisent des intensités de champ de plusieurs teslas — dix mille à cent mille fois le champ magnétique terrestre.

Sur le plan technique, deux conceptions différentes se sont imposées pour ce confinement magnétique : dans le tokamak — un mot russe signifiant « chambre toroïdale à bobines magnétiques » — des bobines disposées en anneau, combinées à un courant électrique induit dans le plasma lui-même, produisent le champ magnétique nécessaire ; la conception est relativement simple et symétrique, mais exige un courant de plasma qui ne peut être maintenu que de façon pulsée. Le réacteur de recherche international ITER, dans le sud de la France, actuellement le plus grand réacteur expérimental à fusion au monde, suit ce principe.

Le stellarator, en revanche, se passe de tout courant de plasma induit et produit le champ magnétique torsadé nécessaire uniquement grâce à des bobines façonnées de manière complexe, enroulées en trois dimensions — techniquement bien plus exigeant à construire et à calculer, mais en principe adapté à un fonctionnement continu. L'Institut Max Planck allemand exploite à Greifswald, avec Wendelstein 7-X, le plus grand stellarator au monde.

Vue de dessus d'un tokamak : le plasma circule dans le tore, maintenu par des bobines magnétiques ; les particules chargées ne peuvent guère quitter les lignes de champ et spiralent autour d'elles.

La fusion par confinement inertiel emprunte une voie complètement différente : au lieu de champs magnétiques, des lasers extrêmement puissants, comme à la National Ignition Facility (NIF) aux États-Unis, concentrent leur énergie en quelques nanosecondes sur une minuscule bille de combustible, la compriment et la chauffent instantanément de tous côtés, de sorte que la fusion s'amorce avant que la matière ne puisse à nouveau se disperser — le NIF y est ainsi parvenu en 2022 à obtenir pour la première fois un gain net d'énergie provenant de la réaction de fusion elle-même. Par ailleurs, des entreprises financées par des capitaux privés, telles que Commonwealth Fusion Systems (tokamaks compacts à champ élevé utilisant des supraconducteurs à haute température) ou Helion Energy (fusion inertielle magnétisée et pulsée), poursuivent de plus en plus leurs propres approches techniques, parfois hybrides, dans le but de réaliser des centrales à fusion commerciales plus rapidement que la recherche financée par les États.