Fission et fusion de l'atome

Qu'est-ce que la fusion nucléaire ?

Les atomes sont les constituants de base de toute la matière identifiée présente sur Terre mais aussi dans l'univers. Il n'y a pas d'atome présent dans l'espace qui ne soit pas présent sur la Terre, et vice versa.
La fusion nucléaire est un processus où deux noyaux atomiques s’assemblent pour former un noyau plus lourd. La fusion est la source d'énergie naturelle du soleil et des étoiles. La fusion de noyaux légers dégage d’énormes quantités d’énergie, c'est tout l'intérêt de la fusion nucléaire qui peut produire théoriquement 3 à 4 fois plus d’énergie que la fission, à masse égale de combustible. Une réaction de fusion nucléaire nécessite donc que deux noyaux atomiques se collent ensemble et cela est très couteux en énergie car les noyaux ont tendance à se repousser à cause de leurs charges électriques toutes deux positives. Les énergies nécessaires à la fusion correspondent à des températures gigantesques, de plusieurs dizaines de millions de degrés, comme dans le cœur des étoiles.
Lorsque des noyaux légers fusionnent, le noyau ainsi créé se retrouve dans un état instable et tente de retrouver un état stable d’énergie plus faible. Pour atteindre cet état stable, il éjecte une ou plusieurs particules (photon, neutron, proton, noyau d’hélium, selon le type de réaction) avec beaucoup d'énergie.

La production d'électricité utilise la fission nucléaire depuis longtemps, mais la fusion nucléaire n'est pas encore maitrisée par les chercheurs qui l'expérimentent depuis les années 1950.
C'est en 2018 en France à Cadarache, que l'on va mettre en service la plus grosse machine nucléaire jamais réalisée, c'est le projet ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).
La recherche sur la fusion vise à démontrer que cette source d'énergie peut être utilisée pour produire de l'électricité de manière sure et respectueuse de l'environnement, avec d'abondantes ressources en combustibles, pour répondre aux besoins d'une population mondiale toujours croissante.
Ces machines seront vraisemblablement en service avant la fin du 21ème siècle, si d'ici là, aucune catastrophe majeure sur les centrales actuelles à fission, ne viennent freiner les programmes en cours.

Image : Accident nucléaire, 11 mars 2011 à Fukushima au Japon

Image : La fusion des 4 baryons Un baryon est, en physique des particules, une catégorie de particules, dont les représentants les plus connus sont le proton et le neutron. Le terme « baryon » vient du grec barys qui signifie « lourd » ; il se réfère au fait que les baryons sont en général plus lourds que les autres types de particules. , libère 3,2 MeV d'énergie.

Qu'est-ce que la fission nucléaire ?

Dans la fission nucléaire, les scientifiques travaillent avec les noyaux lourds. Les produits de fission sont les restes d'un noyau lourd d'uranium ou de plutonium qui s'est fragmenté à la suite de la capture d'un neutron. Le noyau d'uranium ou de plutonium se fragmente généralement en deux morceaux de tailles inégales, un noyau léger comportant de 80 à 110 nucléons et un noyau plus lourd de 130 à 155 nucléons.
La répartition des produits de fission dépend peu du noyau qui a fissionné : uranium 235 ou plutonium 239. Les deux fragments instables sont très radioactifs au moment de leur création.
Un noyau d'uranium 235 contient 143 neutrons et 92 protons, ce qui fait, 64 % de neutrons, alors que pour être stable, des fragments lourds ou légers doivent en contenir moins de 57 %.
La stabilité se fera au prix d'une cascade de désintégrations bêta, qui transforment les neutrons en protons. La fission nucléaire est donc l'éclatement d'un noyau en deux noyaux plus légers. Cet éclatement s'accompagne d'un rayonnement et d'un dégagement important de chaleur, c'est-à-dire d'énergie.

La fission dégage une énergie gigantesque, sous forme de rayonnement, à titre de comparaison, 1 gramme d'uranium 235 libère autant d'énergie que la combustion d'une tonne de charbon, ou que 69 kg de pétrole. Les neutrons libérés par la fission ont une très grande énergie et si on ne les ralentit pas, ils induisent de nouvelles fissions, la réaction continue et la réaction en chaine s'accélère. C'est ce qui se passe dans les réacteurs nucléaires, la réaction s'auto-entretient. Mais, si on laisse augmenter le nombre de neutrons présents, la réaction peut devenir explosive, c'est le cas de la bombe atomique (bombe A). Le temps de retour à la stabilité est extrêmement variable. Quelques jours suffisent pour un produit de fission à 140 nucléons, alors qu'un fragment à 137 nucléons mettra 30 ans et un autre à 99 nucléons, 210 000 ans. Le combustible irradié d'un réacteur déchargé après deux ou trois ans de fonctionnement contient encore une fraction importante de fragments de fission instables.

Image : La fission de 235 baryons Un baryon est, en physique des particules, une catégorie de particules, dont les représentants les plus connus sont le proton et le neutron. Le terme « baryon » vient du grec barys qui signifie « lourd » ; il se réfère au fait que les baryons sont en général plus lourds que les autres types de particules. , libère 200 MeV d'énergie.

Où en sommes-nous sur le nucléaire ?

En 2009, il y a en France 59 réacteurs de deuxième génération à eau pressurisée (REP) répartis sur 19 sites ou centrales nucléaires. L'âge moyen des centrales nucléaires en 2009 en France, est de 22 ans. La production d'énergie électrique nucléaire en 2007, en France a été de 419 TWh, ou 419x10¹² Wh.
Dans le monde il y a 439 réacteurs nucléaires qui produisent 2600 TWh, c'est-à-dire environ 15% de l'électricité mondiale. Les trois premiers pays nucléaires sont les États-Unis, la France et le Japon qui représentent à eux seuls, +50% du nombre total de centrales nucléaires en activité.
En France, la production d'énergie électrique se répartie comme suit : 77% est d'origine nucléaire, 11,5% est d'origine hydraulique, 10% est d'origine hydrocarbure (gaz), 1,5% est d'origine renouvelable, dont la moitié est issue de l'éolien. En ce qui concerne l'énergie globalement, c'est-à-dire toute l'énergie que nous consommons (gaz, pétrole, électricité, solaire...), la répartition est la suivante : 42% provient de l'électricité, 33% du pétrole, 14,6% du gaz, 4,7% du renouvelable (solaire, éolien).
Les réacteurs de troisième génération qui remplaceront la deuxième génération dès 2020, sont en construction (EPR). Avec la même quantité de combustible, un réacteur de troisième génération devrait produire 15% d'électricité en plus que les réacteurs de deuxième génération.

Il sera aussi plus puissant, 1600 mégawatts, comparé aux 900 à 1300 mégawatts pour la deuxième génération.
Et la quatrième génération ?
L'énergie sera toujours obtenue par fission.
Les réacteurs de quatrième génération seront eux beaucoup plus puissants car les neutrons accélérés pour briser les atomes, seront plus rapides et donc l'uranium et le plutonium seront mieux brulés. L'énergie ainsi obtenue sera 50 fois plus grande. Leur industrialisation est prévue pour la décennie 2040.
La France construira son prototype vers 2020.
Ce n'est qu'après les années 2040 que la production d'énergie obtenue par fusion de noyaux légers (comme dans les réactions nucléaires à l'intérieur du Soleil), prendra le relais.
La fusion nucléaire peut produire théoriquement 3 à 4 fois plus d’énergie que la fission, à masse égale de combustible.
On prévoit d'ici 2030 une augmentation de 60% du nombre de réacteurs nucléaires dans le monde, d'après l'Agence Internationale de l'Énergie Atomique (AIEA).

Image : Carte de la répartition des centrales nucléaires, en Europe.
source : AIEA (Agence Internationale de l'Énergie Atomique).

* Les centrales nucléaires dans le monde