La fusion et la fission reposent sur des réactions nucléaires. © Sergey Nivens, Shutterstock
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Quelle est la différence entre fusion nucléaire et fission nucléaire ?

Question/RéponseClassé sous :énergie nucléaire , Physique , fusion nucléaire

[EN VIDÉO] La différence entre fusion nucléaire et fission nucléaire  Quelle est la différence entre fission et fusion nucléaire ? Les deux impliquent des réactions au niveau du noyau atomique, mais la fusion consiste à rassembler deux noyaux légers, là où la fission casse un noyau lourd en deux plus légers. 

Parfois confondues car leurs désignations se ressemblent, fission et fusion sont pourtant deux processus radicalement différents, tant à petite qu'à grande échelle !

Si ces deux termes se ressemblent car ils se déroulent au niveau du noyau atomique, ils désignent pourtant des processus radicalement différents ! Là où la fusion consiste à rassembler deux noyaux légers pour en faire un plus lourd, la fission casse un noyau lourd en deux noyaux plus légers. En France, c'est la fission, et non la fusion, qui est utilisée pour générer de l'électricité. Bien plus avancée que la fusion qui en est au stade expérimental, plusieurs techniques pour faire de la fission existe.

La fission nucléaire a été découverte il y a plus de 80 ans

Découverte en 1938 par le physicien allemand Otto Han et la physicienne Lise Meitner, la fission a très vite été étudiée à des fins militaires, pour créer la fameuse bombe atomique. Ce n'est que bien plus tard, dans les années 1950, que les premiers réacteurs civils sont conçus puis mis en marche. En effet, la fission nucléaire génère de la chaleur, ainsi elle peut être exploitée au sein d'une centrale.

La réaction de fission prend place à l'échelle atomique, comme expliqué dans un dossier Futura sur l'énergie nucléaire : lorsqu'un noyau dit « fissile » entre en collision avec un neutron, ce dernier est alors absorbé. Mais le noyau ainsi créé est instable, et se divise en deux noyaux eux-mêmes instables, appelés produits de fission. La réaction dégage de la chaleur, par le mouvement des particules, mais aussi par les décroissances radioactives des produits de fission. L'uranium naturel est le seul élément naturel contenant un isotope fissile : l'uranium 235, présent à 0,7 % dans l'uranium naturel.

Lorsqu'un neutron est absorbé par un atome d'uranium 235, ce dernier devient instable, et fissionne. © Hawkeye7, Wikimedia commons

En France, on exploite l'énergie nucléaire à partir des années 1960, mais d'abord avec une filière différente de celle que l'on utilise aujourd'hui. Les réacteurs contenaient de l'uranium naturel et utilisaient soit de l'eau lourde (qui contient du deutérium au lieu de l'hydrogène), soit le graphite pour modérer les neutrons (les ralentir). Le transport de chaleur quant à lui s'effectuait par un gaz (CO2 ou air). Aujourd'hui, ce sont les réacteurs à eau pressurisée qui régissent la filière française : l'eau liquide assure à la fois la fonction du modérateur de neutrons et du caloporteur. Le combustible est cette fois de l'uranium enrichi, donc traité pour contenir plus d'uranium 235 que l'uranium naturel. 

Mais bien d'autres manières d'exploiter la fission nucléaire existent partout dans le monde, notamment en utilisant de l'eau pressurisée mais avec un design de réacteur différent, et aussi en utilisant une technologie différente. On peut citer par exemple les réacteurs qui utilisent de l'eau lourde, ceux qui utilisent de l'eau bouillante, du gaz comme caloporteur, ou encore les réacteurs de génération 4 à neutrons rapides.

La centrale de Fessenheim n'est plus en fonctionnement depuis 2020. Elle sera démantelée à partir de 2025, après le déchargement du combustible. © César, Wikipedia, CC by-sa 3.0

La fusion nucléaire est encore au stade expérimental

Contrairement à la fission, la fusion n'est pas encore exploitée pour produire de l'énergie à grande échelle. Elle consiste, comme son nom l'indique, à faire fusionner deux noyaux atomiques : le plus souvent, deux isotopes de l'hydrogène qui fusionnent pour donner un atome d'hélium et un neutron. Le processus est bien plus difficile à créer que la fission, car il nécessite une température et une pression très élevées, bien plus que les quelques centaines de degrés des centrales qui utilisent de la fission. Des conditions similaires à celles qui règnent dans le cœur des étoiles sont nécessaires, c'est-à-dire plusieurs centaines de millions de degrés !

La fusion consiste à rapprocher suffisamment deux noyaux légers pour qu'ils fusionnent et en fassent un plus lourd. © Iter

À cette température, la matière se trouve sous forme de plasma, du gaz dont les atomes ont été dissociés : les électrons ne sont plus liés au noyau des atomes. La réaction de fusion libère une très grande quantité d'énergie, et ne génère pas de déchets radioactifs comme la fission. De plus, elle utilise des éléments trouvables facilement, des isotopes de l'hydrogène.

Mais chauffer la matière à des millions de degrés tout en la confinant est un défi technologique ; de plus, au sein du plasma se créent des instabilités, qui tendent à « éteindre » ce plasma. Pour l'instant, seules deux méthodes sont utilisées pour contrôler le plasma : le confinement inertiel et le confinement magnétique. C'est ce dernier qui est utilisé à Iter (International Thermonuclear Experimental Reactor), dans le sud de la France. Le plasma est confiné au sein d'un réacteur en forme de tore, appelé tokamak, par un puissant champ magnétique. Une autre forme de réacteur est le stellarator, où le champ magnétique prend une forme différente, donc le réacteur aussi. 

Grâce à un puissant champ magnétique, le plasma circule entre les parois du tokamak, sans les toucher. © Iter

Le confinement inertiel, quant à lui, est utilisé dans seulement deux endroits au monde, dont le Laser Mégajoule près de Bordeaux. Cette fois, la fusion est déclenchée par la focalisation d'un grand nombre de faisceaux laser à haute puissance sur une petite cible qui contient du deutérium et du tritium, les deux isotopes de l'hydrogène qui sont destinés à fusionner. Les lasers vont ainsi comprimer la cible, si fortement qu'ils enclencheront ainsi la réaction de fusion.

Ici, plusieurs lasers focalisent sur une petite capsule afin de faire fusionner les isotopes qui sont contenus à l'intérieur. © LLNL

Si la fusion est accessible par ces deux méthodes, elle n'est pour l'instant ni par l'une ni par l'autre réalisable à grande échelle : l'exploitation industrielle de la fusion ne devrait pas arriver avant 2050.

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