Fusion vs. Fission : un physicien explique

L’énergie nucléaire produit environ 10 % de l’électricité mondiale, avec des pays comme la France qui en dépendent pour près de 70 %. Des géants technologiques comme Google se tournent également vers cette source pour alimenter leurs centres de données énergivores.

L’énergie nucléaire provient de l’énergie de liaison atomique, libérée par deux processus principaux : la fission et la fusion. La fission divise des atomes lourds en atomes plus légers, tandis que la fusion combine des atomes légers pour en former des plus lourds. Les deux méthodes produisent une énergie considérable ; par exemple, une seule réaction de fission de l’U-235, couramment utilisée dans les centrales, libère plus de 6 millions de fois l’énergie d’une réaction chimique avec du charbon.

Qu’est-ce que la fission ?

La fission alimente les centrales nucléaires actuelles et se produit lorsqu’un neutron frappe un atome d’uranium, le divisant et libérant d’autres neutrons. Cela déclenche une réaction en chaîne, produisant une énergie substantielle. Pour convertir cette énergie en électricité, des échangeurs de chaleur transforment l’eau en vapeur, entraînant des turbines.

Le contrôle de la fission implique la régulation de l’approvisionnement en neutrons grâce à des “barres de contrôle” qui absorbent les neutrons. Des accidents comme celui de Tchernobyl se sont produits lorsque ces barres échouent ou que la circulation de coolant s’arrête. Les réacteurs de troisième génération améliorent la sécurité avec des fonctionnalités passives qui fonctionnent sans contrôles actifs, s’appuyant plutôt sur des principes physiques naturels. Les réacteurs 6 et 7 de Kashiwazaki au Japon illustrent cette avancée.

Cependant, un défi majeur demeure : les sous-produits de fission sont radioactifs pendant des milliers d’années, et le combustible retraité peut potentiellement être utilisé pour des armes nucléaires. La technologie de fission est évolutive, avec des centrales allant de la massive centrale nucléaire de Kashiwazaki-Kariwa à 7,97 gigawatts à des réacteurs plus petits générant environ 150 mégawatts, comme ceux des sous-marins nucléaires.

Qu’est-ce que la fusion ?

La fusion, le processus qui alimente le Soleil, se produit lorsque des atomes fusionnent. La réaction de fusion la plus simple implique des isotopes de l’hydrogène, le deutérium et le tritium, produisant quatre fois plus d’énergie par unité de masse que la fission de l’U-235. Le deutérium est abondant, mais le tritium est rare et radioactif, nécessitant une “couverture de lithium” dans les centrales de fusion pour le générer.

Actuellement, créer une réaction de fusion en dehors d’un laboratoire est difficile en raison des températures extrêmes nécessaires—environ 150 millions de degrés Celsius. À ces températures, le combustible existe sous forme de plasma, et le sous-produit est l’hélium, un gaz non radioactif.

La méthode principale pour obtenir une fusion soutenue est le confinement magnétique toroidal, qui utilise un champ magnétique en forme de beignet pour contenir le plasma à haute température. Contrairement à la fission, le principal obstacle n’est pas une fusion incontrôlée, mais plutôt l’initiation de la réaction de fusion elle-même.

Un défi clé pour la fusion par confinement magnétique toroidal, qui est au cœur de nombreuses recherches, est de démontrer un plasma auto-chauffé en combustion. Cela se produit lorsque la puissance de chauffage de la réaction elle-même devient la principale source d’énergie. C’est l’objectif du projet ITER, le plus grand expériment de fusion au monde, et de l’expériment SPARC financé par le secteur privé au MIT.

Cependant, de nombreux scientifiques s’accordent à dire que la fusion ne sera pas commercialement viable avant au moins 2050.

Une solution climatique ?

Beaucoup se demandent si l’énergie nucléaire peut atténuer le changement climatique. J’ai des collègues en sciences climatiques, y compris ma défunte épouse, une climatologue renommée.

Le consensus est clair : il est trop tard pour arrêter complètement le changement climatique. Le monde doit réduire d’urgence les émissions de dioxyde de carbone pour minimiser les impacts catastrophiques—une tâche qui aurait dû commencer il y a des décennies.

Dans ce contexte, la fission fait partie de la solution mondiale, aux côtés de l’adoption généralisée de sources d’énergie renouvelables comme l’éolien et le solaire. À long terme, la fusion pourrait potentiellement remplacer la fission, car elle offre un approvisionnement en combustible plus abondant, un volume de déchets significativement plus petit et une technologie qui ne peut pas être militarisée.

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Lire l’article original sur :  Science Alert

En savoir plus : Nuclear Fusion Produces Net Positive Energy in Breakthrough Experiment.