Fission ou fusion nucléaire : quelles différences?

L'actualité remettant le nucléaire au cœur du débat, il est intéressant de se pencher sur les alternatives : solaire, hydraulique, éolien et fusion.  Mais alors quelle est la différence entre la fission nucléaire et la fusion ? Pourquoi la fusion est-elle prometteuse? Pourquoi la fusion est une énergie propre? Quelles sont les difficultés de mise en place?

1. Énergie atomique et composition de l'atome

Tout atome contient une énergie proportionnelle à sa masse, c'est la fameuse équation E=mc². Pour comprendre comment tirer partie de cette énergie, regardons les constituants de la matière. Un atome est composé d'un noyau et d'électrons. Si l'on zoom au niveau du noyau, on voit que celui-ci est composé de nucléon. Il existe deux sortes de nucléon : les neutrons et les protons.

Un noyau est composé de Z proton et de N neutron.

Figure 1 : Particules, noyaux et atomes

2. Comment le neutron et le proton restent collés? 

On parle de stabilité du noyau. Pour qu'un noyau soit stable, on considère qu'il existe une énergie de liaison qui permet aux nucléons de rester liés. Cette énergie a été évaluée expérimentalement en regardant chaque atome connu. C'est de la que vient la formule de Weizsacker qui permet d'évaluer la stabilité d'un noyau en appréciant son énergie de liaison. 

Voici l'énergie de liaison des différents éléments en fonction de leur numéro atomique. Le numéro atomique est le nombre de nucléons d'un noyau.

Figure 2 : Énergie de liaison en fonction du numéro atomique(Wikipedia)

3. Comment récupérer de l'énergie?

L'énergie de liaison est différente pour chaque noyau : on peut la récupérer par fission ou fusion.

Fusion : Sur le graphe précédent, on voit que l'énergie de liaison augmente avec le nombre de nucléon jusqu’à un nombre de nucléon de 50 qui correspond au Fer. Pour ces éléments léger, on pourra dégager de l'énergie en fusionnant les noyaux. Prenons l'exemple d'une réaction Deutérium-Tritium qui est la réaction de fusion utilisé dans ITER : H² + H³ = He⁴ + n.

  L'énergie de liaison du H² est 1Mev et il contient 2 nucléons : B=2MeV
  L'énergie de liaison du H³ est 1Mev et il contient 3 nucléons : B=9MeV
  L'énergie de liaison du He⁴ est 1Mev et il contient 4 nucléons : B=28MeV

  On a donc un excédent d'énergie d'environ 17MeV (=28-9-2 MeV).

Fission : Pour le éléments lourds, l'énergie de liaison diminue avec le nombre de nucléon (cf figure 2. à droite du Fer). Pour ces éléments lourd, on pourra dégager de l'énergie en les fissionnant en éléments plus légers.

Avantage de la fusion : les éléments utilisés sont présents dans la nature, les sources potentielles sont de plusieurs centaines de milliers d'années d'énergie. On trouve 2g de Deutérium par litre d'eau. Grâce à ces 2g de deutérium, 1Litre d'eau correspondrait à deux barils de pétroles.

4. L'ignition ou comment démarrer la réaction?

Lorsque vous allumez un feu de cheminé, vous mettez une allumette sous un papier jusqu’à ce que le feu parte. Quand on parle de réaction nucléaire, on parle d'ignition.

Dans la fission nucléaire, l'Uranium a envie de fissionner mais il lui manque un tout petit coup de pouce que va lui apporter la collision avec le neutron. La première réaction de fission dégage trois neutrons qui peuvent à leur tour fissionner chacun un atome. C'est la réaction en chaine. Le problème ce n'est pas d'allumer le moteur à fission mais de l’éteindre.

Pour la réaction de fusion, prenons l'exemple d'un Tokamak. A l'intérieur, le gaz de Deuterium-Tritium devrait être chauffé puis ionisé en un plasma chaud de fusion. Le problème est que le plasma n'a qu'une envie : refroidir et donc éteindre la réaction... En fusion, le problème c'est de garder le feu allumé.

Avantage de la fusion : elle s’éteint toute seule.



5. Contrôle et risque

Fission nucléaire : Les centrales nucléaires sont des zones sensibles. Le contrôle de la réaction nucléaire demande une attention constante pour être maitrisée car la réaction en chaine de fission ne demande qu'à rester allumée. De plus, un réacteur nucléaire est rempli de matière radioactive correspondant à deux ans de production d'énergie... si la machine s'emballe, c'est risqué et ça peut durer longtemps!

En fusion la difficulté est principalement de garder allumé le plasma de fusion. Car le plasma, ne veut qu'une chose : s'éteindre. Mais supposons que l'on rencontre un problème. Et bien la différence capitale est qu'une machine à fusion ne contient pas plus de 2 minutes de combustible...  le reste du combustible étant dans un réservoir éloigné. (C'est comme votre moteur de voiture qui est alimenté en essence depuis votre réservoir). Le risque sanitaire lié aux fuites de combustible ou à une explosion est considérablement diminué.

Avantage de la fusion : Un réacteur a fusion ne contient que très peut de combustible. ratio = 2minutes/2ans


6. Radioactivité et déchets

Toute production d'énergie : éolien, hydraulique, solaire ou nucléaire produit des déchets. La différence est le type de déchets. Dans le nucléaire, le principal déchet est l'abondance de matière radioactive. Mais qu'est-ce que c'est au fait la radioactivité?

La radioactivité se trouve à l'état naturel et correspond à la capacité qu'ont les atomes à émettre des rayons bêta ou gamma de haute énergie. Ces rayons interagissent avec les tissus biologiques et causent des dégâts irrémédiable (mutation ADN). C'est comme imaginer des particules créant des micro-fissures dans un mur. Le mur est assez solide pour supporter de nombreuses fissures mais au bout d'un moment il s'écroule.

Fission nucléaire : Les centrales nucléaires à fission, produisent des éléments hautement radioactifs directement issus de la réaction de fission, source d'énergie.

Fusion : une réaction de fusion ne produit pas d'éléments radioactifs directs. Mais suivant les réactions il peut y avoir activation des éléments de l'infrastructure.

Avantage fusion : Pas de radioactivité directe.


7. Conclusion


La fusion n'a que des avantages. C'est une source d’énergie : presque inépuisable, propre et sure. Mais alors quels sont les problèmes? Et bien ils résident dans la mise en place d'un réacteur a fusion car le plasma est un milieu fortement instable qui ne demande qu'à s'éteindre. De nombreux projets tentent de nous offrir cette énergie prometteuse.

N'hésitez pas a mettre un commentaire si vous voulez que je vous présente les divers projets : Stellerator, Tokamak, Fusion inertielle et laser mégajoule,...