Quelles différences entre fission et fusion nucléaire ?

La fission et la fusion nucléaires sont des réactions libérant des quantités importantes d’énergie, entre autres sous forme de chaleur que l’on peut notamment exploiter pour produire de l’électricité. Elles transforment toutes les deux les noyaux d’atomes « instables » parce qu’ils sont soit trop lourds, soit trop légers.

2021 fut l’année de tous les records en ce qui concerne la fusion nucléaire. Cette technologie encore méconnue du grand public concentre pourtant beaucoup d’espoir en ce qui concerne notre avenir énergétique.

Le Tokamak EAST (machine en forme d’anneau métallique creux, utilisée par les scientifiques afin d’y créer des réactions de fusion nucléaire, pour produire de l’énergie) situé à Hefei en Chine a atteint la température des 100 millions de degrés pendant 17 minutes et 36 secondes. C’est un record mondial en matière de réaction de fusion nucléaire.

L'urgence climatique nous pousse à trouver de nouveaux moyens de production d'électricité. La fusion nucléaire paraît être aujourd’hui la plus prometteuse. C’est une technologie expérimentale qui reste pourtant grandement instable aujourd’hui.

De son côté, la fission nucléaire a largement fait ses preuves depuis plus d’un demi-siècle. Mais cette technologie, comme nous le savons tous, comporte également des risques.

Les énergies renouvelables se développent à travers le monde, mais le rythme ne permet pas aujourd’hui de se passer d’énergies fossiles.

Nous allons tenter de comprendre ensemble quel est l'état des lieux des recherches actuelles pour saisir les avantages et inconvénients de ces deux technologies.

Quelles sont les différences entre la fission et la fusion nucléaire ?

La fission nucléaire, une technologie mature qui a fait ses preuves

La grande majorité des centrales nucléaires en activité aujourd’hui sont équipées d’un réacteur à fission nucléaire. Si l’on exclut les quelques réacteurs nucléaires expérimentaux, la fission nucléaire a fait ses preuves depuis la moitié du XXe siècle jusqu'à nos jours.

Source : Agence Internationale de l'Énergie Atomique

Cette technologie consiste à projeter un neutron sur un atome lourd instable. Ce dernier va alors éclater en 2 atomes plus légers.

Cette réaction de fission nucléaire va libérer une quantité importante d’énergie qui va provoquer de nouvelles fissions d’atomes et ainsi de suite. C’est une réaction en chaîne qui s'ensuit.

Ce phénomène permet de produire une quantité importante et stable d’énergie. Le combustible utilisé dans cette opération est l’uranium 235. Il s’avère que la composition et les propriétés physiques de l’uranium correspondent parfaitement à ce besoin.

Les atomes d’uranium possèdent un noyau capable de se casser en deux noyaux plus petits sous l'impact du fameux neutron. C'est ce qu’on appelle la fission nucléaire.

La fusion nucléaire, une technologie de rupture à l’état expérimental

La fusion nucléaire est le processus qui permet de fusionner deux noyaux pour former un noyau unique plus lourd. Il est important de noter que ce phénomène est présent en permanence sur la plupart des étoiles telles que le Soleil.

Le deutérium et le tritium sont des atomes très légers, tous deux dérivés de l'hydrogène.

Source : Voix du Nucléaire

Ils ont la capacité de fusionner leurs noyaux pour former un unique noyau d’hélium. Cette réaction libère une très grande quantité d’énergie.

Pour fusionner, ils doivent être confinés dans un plasma à très haute température.

Il faut savoir que dans des conditions de température très élevées, la matière se transforme en plasma : ni solide, ni liquide, la matière est comparable à une mixture dans laquelle les atomes et noyaux ne sont plus forcément tous liés de la même manière.

Pour parvenir à cela, il faut être capable d’augmenter les températures à des niveaux absolument gigantesques. On parle ici de 150 millions de degrés Celsius, ce qui représente une dizaine de fois la température de la surface du Soleil.

Lorsque les deux noyaux légers se percutent dans cet espace, ils fusionnent pour donner un noyau lourd unique.

Aujourd’hui, aucun kWh n'a encore été fourni grâce à des procédés de fusion nucléaire. Les premières recherches datent des années 1950-1960, cependant depuis, il n'existe que quelques initiatives internationales qui se penchent sérieusement sur le sujet.

On peut à ce titre citer le projet ITER : International Thermonuclear Experiment Reactor. Il réunit plus de 35 pays différents. Le premier plasma est prévu pour 2025. Il existe un ensemble de tokamak à travers le monde qui réalisent régulièrement des essais.

Source : ITER

Quel est l'avantage de la fusion par rapport à la fission ?

Une énergie présente en abondance

La fusion nucléaire est une énergie renouvelable qui est extrêmement puissante. Elle permet de développer beaucoup plus d’énergie qu’elle n’en consomme.

Il faut également noter que c’est une source d’énergie quasi illimitée. Le deutérium est un dérivé naturel et stable de l'hydrogène que l’on peut extraire de l'eau courante. Cette source d’énergie n’est donc pas soumise aux mêmes contraintes que les énergies thermiques ou nucléaires plus classiques.

La quantité d’énergie requise est également très inférieure aux quantités actuelles. Il ne faut que quelques grammes de combustible afin de déclencher la réaction et ensuite l’entretenir.

La fusion d’un gramme de deutérium tritium dégagerait 4 fois plus d’énergie que la fission d’un gramme d’uranium.

Une énergie propre

De plus, elle ne rejette pas de CO2 ni de polluants atmosphériques. Le seul produit issu de cette réaction est l’hélium. La question des déchets est également primordiale dans la discussion concernant l’énergie nucléaire. La gestion des déchets constitue l’un des freins les plus importants quant à la fission nucléaire.

Il est actuellement nécessaire d’enfouir ces déchets afin d’éviter tout risque de contamination. Avec la fusion, cette question ne se pose plus.

Il faut tout de même noter que les installations qui auront servi à la fusion devront être stockées une centaine d'années afin d’éviter tout risque de contamination. Ce qui est sans commune mesure avec les milliers d’années requis aujourd’hui.

La promesse d’une énergie plus sûre

La fission nucléaire comporte son lot de risques que le XXe siècle a pu expérimenter. C’est le lot de chaque procédé industriel de grande ampleur, un degré de risque est accepté tant que la balance risque/bénéfice reste largement positive.

La fusion nucléaire, quant à elle, permet d’éviter tout risque d’explosion industrielle. Si un problème de grande ampleur survient, le plasma pourrait avoir le temps de retrouver une température très faible avant qu’un incident grave ne survienne. Si la réaction se stoppe, le plasma prend alors contact avec la matière environnante (en l'occurrence l’air) et se refroidit.

Pour en savoir plus sur la sûreté nucléaire, rendez-vous sur cet article.

En résumé, la fusion nucléaire est une expérience pleine d'avenir qui nécessite de passer un cap technologique important. Les promesses sont nombreuses, reste à voir si le cap de la réalisation à grande échelle peut fonctionner.

Aujourd’hui, cette réaction ne se maintient pas suffisamment pour être rentable en termes d’énergie produite. Comme Joseph Schumpeter l’avait théorisé, les innovations se déclenchent bien souvent en grappe. Une évolution en entraînant une autre, on peut espérer que ce phénomène prenne vie en ce qui concerne la fusion dans les années à venir.

N’hésitez pas à lire notre article complet sur « L’énergie nucléaire : entre innovation et transition énergétique ».

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