L'énergie nucléaire peut être libérée de deux façons : en cassant des noyaux atomiques lourds ou en fusionnant des noyaux très légers, ce qu'on appelle respectivement la fission et la fusion nucléaire.
Si la fission est contrôlée depuis longtemps pour la production d'électricité, ce n'est pas encore le cas de la fusion. Cette réaction est difficile à réaliser car il faut rapprocher deux noyaux qui ont tendance naturellement à se repousser.
Fusion(s)La fusion des atomes est le processus à l’œuvre au cœur du Soleil et c’est celui que les Hommes cherchent à maitriser sur Terre avec le projet Iter.
Tout en images de synthèses, le film Fusion(s) a pour ambition de constituer une ressource pédagogique pour les journalistes, les documentaristes de télévision et les enseignants.
1 Un réacteur nucléaire de type REP (réacteur à eau pressurisée) de 1 000 MW consomme pour sa part environ 25 tonnes de combustible / an.
Maîtriser sur Terre la fusion de noyaux légers, tels que le deutérium et le tritium, ouvrirait la voie à des ressources en énergie très abondantes.
L'enjeu de la recherche sur la fusion par confinement magnétique est de produire une grande quantité d’énergie en toute sécurité avec très peu de combustible. En théorie, la fusion de moins d’un kilo par jour de deutérium et de tritium produirait la chaleur nécessaire à la production de 1 000 MW d’électricité en continu, soit ce que l’on réalise aujourd’hui dans une centrale thermique à partir d’environ 5 000 tonnes de combustibles fossiles1. Le combustible employé pour la fusion est abondant et équitablement réparti sur la planète ; il pourrait être produit à partir de l’eau de mer.
Les chercheurs expérimentent depuis plusieurs années la fusion par confinement magnétique.
Aujourd'hui la communauté scientifique internationale, en France à Cadarache, est en train de construire le plus important tokamak jamais réalisé, dans le cadre d’une très vaste collaboration internationale. C'est le projet Iter qui devrait permettre de démontrer la faisabilité scientifique et technologique de l'énergie de fusion.
D’autres approches visent à obtenir les conditions de fusion par confinement inertiel, c’est à dire en comprimant fortement la matière grâce à des courants électriques ou à des faisceaux laser.
Mais, dans ce cas, les conditions de fusion ne sont assurées que pendant quelques fractions de seconde (contre plusieurs minutes, voire dizaine de minutes dans un tokamak ou un stellerator) ce qui rend difficile la production d’énergie en continu. Ce type d’approche est principalement destiné à étudier la matière lorsqu’elle est soumise à des conditions extrêmes de température et de pression. C’est le cas du Laser Megajoule, près de Bordeaux (site web du LMJ)
La fusion au cœur des étoiles
Le plasma dans notre vie quotidienne
Parmi les différents états de la matière, on oublie souvent d'en citer un. Après l'état solide, l'état liquide et l'état gazeux, il y a... le plasma. Dans ce quatrième état de la matière où elle n’est ni solide, ni liquide, ni gazeuse, la matière est comparable à une « soupe » où noyaux et électrons ne sont plus liés et circulent librement. Bien que rare sur Terre, il s’agit de l’état le plus commun de la matière dans l’Univers. Le plasma est très répandu. L'Univers et notamment les étoiles sont composés à plus de 99 % de plasma. Dans les hautes couches de l'atmosphère terrestre, l'air, exposé en première ligne aux rayonnements solaires, est à l'état de plasma. Enfin sur Terre, les tubes d’éclairage au néon, certains écrans de télévision ou d’ordinateurs et certaines torches de soudage en chaudronnerie utilisent des plasmas.
La réaction de fusion nucléaire se déroule au cœur des étoiles.
À des températures extrêmes, de l’ordre de millions de degrés Celsius, la matière se présente alors sous forme de plasma. Dans un plasma, deux noyaux « légers » qui se percutent à grande vitesse peuvent fusionner, créant un noyau plus lourd. Lors de cette réaction, la masse des produits de fusion est inférieure à la somme des masses des éléments de départ : cette différence de masse est libérée sous forme d'énergie, selon la formule d’Einstein E=mc2 …
Ainsi, le Soleil fusionne en permanence des atomes d’hydrogène en formant des atomes d’hélium. Chaque seconde, le Soleil transforme 600 millions de tonnes d'hydrogène en hélium. Ces réactions nucléaires naturelles sont à l’origine de la chaleur qu’émet notre étoile.
Dans le cœur des étoiles les plus grosses, la densité de matière est telle que des réactions de fusion entre des noyaux plus lourds que l’hydrogène ou entre quatre noyaux d’hydrogène peuvent former des noyaux plus lourds encore, conduisant à accroître la variété des noyaux atomiques.
Créer la fusion sur Terre
Sur Terre, les physiciens se concentrent sur une réaction nucléaire de fusion dont les conditions sont un tout petit peu moins draconiennes que celle de la fusion de deux atomes d’hydrogène. En vue de produire de l’électricité, ils ont sélectionné une réaction de fusion qui doit leur permettre d'obtenir le gain énergétique le plus élevé aux températures les plus « basses ». Ils cherchent à faire fusionner des atomes de deutérium et de tritium, deux isotopes de l’hydrogène contenant un proton et, respectivement, un ou deux neutrons. Cette réaction exige néanmoins de porter la matière à près de 150 millions de degrés, soit une température dix fois plus élevée que celle de la fusion de l’hydrogène au cœur du Soleil.