Dans la fusion nucléaire, des noyaux atomiques légers fusionnent en noyaux plus lourds, exactement comme dans le Soleil. Elle libère une quantité d'énergie énorme : un gramme de combustible de fusion fournit autant d'énergie que plus de dix tonnes de houille.
Qu'est-ce que la fusion nucléaire ?
La fusion nucléaire réunit des noyaux atomiques légers en noyaux plus lourds. De l'énergie est libérée au passage, c'est aussi ainsi que brillent les étoiles.
Pourquoi la fusion exige-t-elle des millions de degrés ?
Les noyaux atomiques sont chargés positivement et se repoussent donc mutuellement. Pour fusionner, ils doivent se percuter à très grande vitesse. La température mesure la vitesse à laquelle les particules se déplacent, c'est pourquoi le combustible doit être extrêmement chaud.
Froid
À basse température, les isotopes de l'hydrogène deutérium (D) et tritium (T) se déplacent lentement et de façon désordonnée. Ils se rapprochent à peine.
Chaud
Des noyaux de même charge se repoussent toujours, quelle que soit la température. Quand la température augmente, les particules accélèrent, mais pas encore assez : juste avant de se toucher, la répulsion les écarte à nouveau.
Extrêmement chaud
À environ 150 millions de degrés, dix fois plus chaud qu'au cœur du Soleil, les particules sont assez rapides pour vaincre la répulsion et se percuter de plein fouet.
Fusion
Les deux noyaux fusionnent en hélium (He). Un neutron (n) est alors libéré et s'échappe avec une grande énergie.
Que se passe-t-il lors de la fusion ?
Un regard plus attentif à l'intérieur des atomes montre de quoi se composent le deutérium et le tritium, et d'où vient l'énergie.
- Proton
- Neutron
- Électron
Deux atomes
Le noyau du deutérium se compose d'un proton et d'un neutron, celui du tritium d'un proton et de deux neutrons. Un électron tourne autour de chaque noyau.
Plasma
Sous l'effet de la chaleur, les électrons se détachent des noyaux. Ce mélange d'électrons libres et de noyaux nus s'appelle un plasma. Les noyaux peuvent désormais se percuter directement.
Fusion des noyaux
Lorsque les noyaux sont assez proches, l'interaction forte les maintient ensemble. Pendant un très bref instant, deux protons et trois neutrons forment un seul noyau.
Hélium et neutron
Ce noyau se scinde aussitôt en un noyau d'hélium et un neutron libre. Ensemble, ils sont un peu plus légers que les noyaux de départ, la masse manquante est libérée sous forme d'énergie. Le neutron rapide en emporte environ les quatre cinquièmes et sert à produire de la chaleur dans une centrale.
À quoi pourrait ressembler une centrale à fusion
Sur le principe, une centrale à fusion fonctionne comme une centrale thermique classique : l'énergie libérée chauffe de l'eau, la vapeur entraîne une turbine et un générateur produit de l'électricité. Seule la source de chaleur est nouvelle. Les lignes continues représentent l'eau chaude et la vapeur, les lignes pointillées l'eau refroidie sur le chemin du retour.
Plasma
À l'intérieur flotte le plasma, à environ 150 millions de degrés. De puissantes bobines magnétiques, dessinées ici en noir, le tiennent à distance de la paroi. C'est là que le deutérium et le tritium fusionnent.
Couverture
Les neutrons rapides quittent le plasma et sont freinés dans la paroi qui l'entoure, la couverture. Leur énergie cinétique se transforme alors en chaleur. En même temps, la couverture produit du nouveau tritium à partir de lithium.
Générateur de vapeur
De l'eau refroidit la couverture et transporte la chaleur jusqu'au générateur de vapeur. Là, elle fait bouillir l'eau d'un second circuit.
Turbine
La vapeur chaude traverse la turbine sous haute pression et la fait tourner rapidement.
Générateur
La turbine entraîne le générateur. Celui-ci convertit la rotation en électricité, qui est injectée dans le réseau.
Condenseur
Après la turbine, la vapeur se refroidit et redevient de l'eau. Celle-ci retourne au générateur de vapeur, et le cycle recommence.
Quels types de réacteurs existe-t-il ?
Dans le monde, la recherche explore surtout trois voies pour maintenir le combustible chaud assez longtemps et assez dense. Deux d'entre elles utilisent des champs magnétiques, la troisième mise sur les lasers.
Tokamak
Des bobines en anneau et un courant électrique circulant dans le plasma lui-même créent ensemble le champ magnétique qui maintient le plasma dans un anneau. Le tokamak est le concept le plus avancé.
Stellarator
Ici, seules les bobines façonnent le champ magnétique. Elles sont savamment torsadées, de sorte que le plasma s'enroule autour de l'anneau comme un ruban vrillé. En contrepartie, un stellarator peut fonctionner sans interruption.
Fusion par laser
De puissantes impulsions laser frappent de tous côtés une minuscule bille de combustible. En quelques milliardièmes de seconde, elle est si fortement comprimée et chauffée que les noyaux fusionnent.
Questions fréquentes
La fission nucléaire suit le chemin inverse : elle divise des noyaux atomiques lourds comme l'uranium en noyaux plus petits. La fusion, au contraire, réunit des noyaux légers et se passe d'uranium. Une réaction en chaîne y est physiquement impossible, et elle ne produit aucun combustible usé à stocker pendant des millénaires.
Le développement progresse plus vite que jamais. En 2022, la National Ignition Facility aux États-Unis a pour la première fois tiré de la fusion plus d'énergie que les lasers n'en avaient apporté au combustible. Des installations comme Wendelstein 7-X établissent sans cesse de nouveaux records, et États comme entreprises privées investissent des milliards dans le monde entier. De nombreuses entreprises prévoient leurs premières centrales pilotes pour les années 2030. Avec un cadre adapté, l'Allemagne peut être aux avant-postes.
Le Bundesverband für Kernfusion réunit entreprises, instituts de recherche et autres acteurs pour que la recherche de pointe devienne une énergie propre. Il informe les responsables politiques et le public sur les opportunités de la fusion nucléaire et sur l'état de son développement. Il défend en outre les intérêts communs de ses membres et s'engage pour que l'Allemagne devienne le site de référence de l'énergie de fusion.
Oui, la sûreté est l'un des grands atouts de la fusion. Une réaction en chaîne comme dans la fission nucléaire est physiquement impossible. Le réacteur ne contient jamais que quelques grammes de combustible, et à la moindre perturbation le plasma se refroidit en une fraction de seconde, si bien que la réaction s'éteint d'elle-même. Une fusion du cœur est impossible. Des concepts de protection éprouvés existent pour la manipulation du tritium et des composants activés.
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L'énergie de fusion réunit tout ce dont un approvisionnement électrique respectueux du climat a besoin. Elle fournit de l'électricité jour et nuit, quels que soient la météo et le moment de la journée, et n'émet pas de CO₂ en fonctionnement. Le combustible est pratiquement inépuisable : le deutérium se trouve dans l'eau de mer, et le tritium est produit à partir de lithium dans la centrale elle-même. Une centrale à fusion occupe peu de surface et ne laisse aucun produit de fission à vie longue.