Énergie

Fusion nucléaire : explication simple et schéma

La fusion nucléaire vise à reproduire sur Terre l'énergie des étoiles en faisant fusionner des noyaux légers. Voici son principe expliqué simplement, un schéma de la réaction deutérium-tritium, le fonctionnement d'un réacteur à fusion et les défis qui restent à relever.

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Illustration d'un plasma

Qu'est-ce que la fusion nucléaire ?

La fusion nucléaire est une réaction au cours de laquelle deux noyaux d'atomes légers, le plus souvent deux isotopes de l'hydrogène (deutérium et tritium), s'unissent pour former un noyau plus lourd, de l'hélium, en libérant une énorme quantité d'énergie. C'est la réaction qui alimente le Soleil et les étoiles.

Contrairement à la fission, utilisée dans les centrales actuelles et qui casse un noyau lourd d'uranium, la fusion assemble des noyaux. Elle exige des conditions extrêmes, car les noyaux, tous chargés positivement, se repoussent : il faut les rapprocher à très grande vitesse pour qu'ils fusionnent.

Schéma de la réaction deutérium-tritium

Deutérium 1 proton + 1 neutron + Tritium 1 proton + 2 neutrons fusion plasma à plus de 100 millions °C Hélium 4 3,5 MeV + Neutron 14,1 MeV proton neutron Énergie totale libérée : 17,6 MeV
Schéma simplifié : un noyau de deutérium et un noyau de tritium fusionnent en un noyau d'hélium 4 et un neutron rapide. L'énergie libérée provient de la légère perte de masse (E = mc²).

La réaction s'écrit : D + T → ⁴He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV). Environ quatre cinquièmes de l'énergie sont emportés par le neutron. Comme il n'a pas de charge électrique, il n'est pas retenu par les champs magnétiques : il traverse la paroi et dépose sa chaleur dans la structure qui entoure le plasma. C'est cette chaleur qu'un futur réacteur devra récupérer.

D'où vient l'énergie ? L'explication simple

Le noyau d'hélium et le neutron produits pèsent légèrement moins lourd que les noyaux de départ. Cette différence de masse, minuscule, est convertie en énergie selon la célèbre formule d'Einstein E = mc². Comme c² est un nombre gigantesque, une infime quantité de matière libère beaucoup d'énergie : à masse égale, la fusion libère plusieurs millions de fois plus d'énergie que la combustion du charbon ou du pétrole.

Pour que la fusion se produise, trois conditions doivent être réunies en même temps, résumées par le critère de Lawson :

  • une température extrême, de l'ordre de 150 millions de degrés dans un tokamak, soit environ dix fois plus que le cœur du Soleil (qui compense par son énorme pression gravitationnelle) ;
  • une densité suffisante de particules pour que les collisions soient fréquentes ;
  • un temps de confinement assez long pour que l'énergie ne s'échappe pas trop vite.

À ces températures, la matière devient un plasma : un gaz si chaud que les électrons sont arrachés aux noyaux. Aucun matériau ne peut le toucher sans le refroidir instantanément ; il faut donc le confiner sans contact.

Comment fonctionne un réacteur à fusion ?

Le confinement magnétique : tokamak et stellarator

Le tokamak, inventé en URSS dans les années 1950, est un anneau creux (en forme de beignet) entouré de bobines électromagnétiques. Les champs magnétiques forcent les particules chargées du plasma à tourner en rond sans toucher les parois. Le stellarator suit le même principe avec des bobines torsadées plus complexes, qui offrent un plasma plus stable.

Un réacteur à fusion de type tokamak comprendrait :

  1. une chambre à vide où l'on injecte quelques grammes de deutérium et de tritium ;
  2. des systèmes de chauffage (courant électrique, ondes radio, faisceaux de particules) pour porter le plasma à plus de 100 millions de degrés ;
  3. des aimants supraconducteurs qui confinent le plasma ;
  4. une couverture qui absorbe les neutrons, transforme leur énergie en chaleur et produit du tritium à partir de lithium ;
  5. un divertor qui évacue l'hélium et les impuretés ;
  6. un circuit de refroidissement qui transporte la chaleur vers une turbine et un alternateur, comme dans une centrale classique.

Le confinement inertiel : les lasers

Autre voie : des lasers très puissants frappent une minuscule capsule de combustible qui implose et fusionne en une fraction de seconde. En décembre 2022, le National Ignition Facility américain a pour la première fois obtenu davantage d'énergie de fusion que l'énergie laser déposée sur la cible, une étape historique, même si le bilan global de l'installation reste très négatif.

Idée clé : obtenir plus d'énergie que celle consommée par toute l'installation (gain net) et la produire en continu sont les conditions minimales pour une centrale industrielle.

ITER et les grands projets

ITER, en construction à Cadarache (Bouches-du-Rhône), est un tokamak expérimental géant réunissant l'Union européenne, les États-Unis, la Chine, la Russie, le Japon, la Corée du Sud et l'Inde. Il doit démontrer qu'un plasma peut produire environ dix fois plus de puissance de fusion que la puissance de chauffage injectée. Son calendrier a été plusieurs fois repoussé : les expériences au deutérium-tritium sont désormais envisagées à la fin des années 2030. ITER ne produira pas d'électricité ; cela reviendra à des démonstrateurs ultérieurs (projets dits DEMO). En parallèle, de nombreuses start-up explorent des concepts plus compacts.

Défis, sûreté et déchets

  • Matériaux : les parois subissent des flux de neutrons et de chaleur extrêmes.
  • Tritium : rare et radioactif, il doit être fabriqué dans le réacteur à partir de lithium, en boucle fermée.
  • Stabilité du plasma : des instabilités peuvent interrompre brutalement la réaction.
  • Coût et délais : passer du prototype à une centrale fiable et rentable reste un saut considérable.

Côté sûreté, la fusion n'implique pas de réaction en chaîne : au moindre incident, le plasma se refroidit et la réaction s'arrête. Les neutrons rendent toutefois certains matériaux radioactifs, mais ces déchets ont une durée de vie bien plus courte que ceux de la fission.

Fusion, fission et autres énergies

La fusion utiliserait des combustibles abondants (le deutérium est extrait de l'eau de mer) et fournirait une énergie pilotable et bas carbone. Mais elle n'arrivera pas à temps pour les objectifs climatiques de 2050. Elle complète, sans les remplacer, l'énergie nucléaire de fission et les énergies renouvelables dans la transition énergétique.

Questions fréquentes

Peux-tu m'expliquer la fusion nucléaire simplement ?

La fusion nucléaire consiste à faire se rencontrer deux petits noyaux d'atomes, par exemple deux formes d'hydrogène, si violemment qu'ils se collent pour former un noyau plus gros. Le nouveau noyau pèse un tout petit peu moins lourd que les deux de départ : cette masse manquante est libérée sous forme d'énergie. C'est ce qui fait briller le Soleil.

Quelle est la différence entre fusion et fission nucléaire ?

La fission casse un noyau lourd (uranium, plutonium) en deux noyaux plus légers : c'est le principe des centrales nucléaires actuelles. La fusion assemble deux noyaux légers (deutérium et tritium) en un noyau plus lourd. Les deux libèrent de l'énergie, mais la fusion ne produit pas de réaction en chaîne et génère beaucoup moins de déchets à vie longue.

Comment fonctionne un réacteur à fusion ?

Dans un tokamak, un mélange de deutérium et de tritium est chauffé à plus de 100 millions de degrés pour former un plasma, maintenu loin des parois par de puissants champs magnétiques en forme d'anneau. Les neutrons produits par la fusion chauffent une couverture qui entoure le plasma ; cette chaleur pourrait ensuite produire de la vapeur, faire tourner une turbine et générer de l'électricité.

Quand aura-t-on des centrales à fusion ?

Aucune centrale à fusion ne produit encore d'électricité. ITER doit démontrer la faisabilité scientifique dans les années 2030, et la plupart des experts situent d'éventuelles centrales commerciales au mieux dans la seconde moitié du siècle, même si des start-up annoncent des calendriers plus rapides.

La fusion nucléaire est-elle dangereuse ?

Le risque d'emballement est très faible : au moindre incident, le plasma se refroidit et la réaction s'arrête. Les principaux enjeux de sûreté concernent le tritium, radioactif, et l'activation des matériaux par les neutrons, qui produit des déchets à durée de vie plus courte que ceux de la fission.

À retenir

La fusion nucléaire assemble deux noyaux légers (deutérium + tritium) en hélium et neutron, en libérant 17,6 MeV par réaction grâce à une légère perte de masse. Un réacteur doit confiner un plasma à plus de 100 millions de degrés, par aimants (tokamak, ITER) ou par lasers. Prometteuse et bas carbone, elle reste un pari de long terme qui ne remplace pas les solutions actuelles.