Fusion nucléaire : fonctionnement, usages et dangers

publié le 22/03/2023 | mis à jour le 21/06/2023 | par Laurie Fouché

C’est quoi la fusion nucléaire ?

La fusion nucléaire, aussi appelée fusion thermonucléaire est une réaction qui se passe au niveau des noyaux d’atomes. Voici le détail.

Fusion nucléaire, comment ça marche ?

Pour bien comprendre comment fonctionne la fusion nucléaire, il faut revenir à la description d’un atome. Ce constituant de base de la matière a :

• un noyau composé de nucléons, c’est-à-dire des :
  • protons chargés positivement,
  • neutrons, sans charge ;
• des électrons chargés négativement autour de ce noyau.

Tous les atomes sont définis par ces trois variables comme suit :

• le nombre de protons détermine l’élément en question. Par exemple, l’hydrogène en possède 1, le carbone 6, et l’oxygène 8 ;
• pour un même élément, le nombre de neutrons au sein du noyau peut varier. Ces différentes versions de l’élément sont appelées des isotopes ;
• le nombre d’électrons d’un atome est égal à son nombre de protons, car sa charge globale est neutre.

La plupart des atomes sont stables, c’est-à-dire qu’ils se maintiennent dans leur état en l’absence d’apport d’énergie extérieur. Certains sont instables, ou radioactifs, ceux-ci se transforment spontanément en un autre isotope ou un autre élément.

La définition de la fusion nucléaire est la combinaison de deux noyaux légers (contenant peu de nucléons) pour former un élément plus lourd.

Où a lieu la fusion nucléaire ?

La fusion nucléaire ne se produit pas naturellement sur Terre. En revanche, la fusion nucléaire au cœur du Soleil est un phénomène attesté, et cela est le cas pour toutes les étoiles de l’Univers. Lors de la fusion de noyaux atomiques, une quantité énorme d’énergie est libérée, et c’est à ce phénomène que sont dues la chaleur et la lumière émises par les étoiles. C’est d’ailleurs cette énergie solaire qui est exploitée sur Terre avec des panneaux photovoltaïques ou thermiques. C’est également grâce à la réaction de fusion que les éléments qui composent l’Univers sont créés : à partir d’hydrogène (le plus petit), des fusions sont réalisées au sein de l’étoile jusqu’à créer les éléments les plus lourds.

La réaction de fusion nucléaire libère donc une grande quantité d’énergie, ce qui intéresse les scientifiques tant pour des applications civiles que militaires. Les projets d’exploitation de cette forme d’énergie sont détaillés plus bas dans cet article.

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Quelle est la différence entre la fusion et la fission nucléaire ?

Il est essentiel de ne pas confondre la fusion atomique et la fission. Cette dernière est connue et exploitée depuis longtemps dans les centrales de production d’énergie nucléaire et dans les bombes A (bombes atomiques, bombes à fission, bombes nucléaires, elles ont de nombreux noms mais désignent toutes le même engin explosif).

À l’inverse de la fusion, la fission nucléaire se déroule ainsi :

1. un atome lourd (composé de nombreux nucléons) et instable (radioactif) est utilisé comme combustible. C’est généralement de l’uranium ou du plutonium ;
2. lorsque la réaction de fission est provoquée par l’être humain, de l’énergie est envoyée sur cet atome sous la forme d’une particule (le plus souvent un neutron) ;
3. l’atome lourd se scinde en deux (ou plus) nouveaux atomes plus légers (contenant chacun moins de nucléons) ;
4. cette réaction libère de l’énergie et des neutrons.

Cette réaction de fission nucléaire a lieu spontanément sur Terre, c’est à cela qu’est due la radioactivité naturelle. Lorsque cette réaction nucléaire est provoquée, par exemple dans une centrale nucléaire, une réaction en chaîne a lieu et les neutrons libérés lors de la fission d’un atome participent à scinder à leur tour d’autres atomes jusqu’à épuisement du combustible.

La fusion nucléaire est-elle possible ?

La réaction de fusion nucléaire est possible, nous venons juste de voir qu’elle se produit naturellement au sein des étoiles. La vraie question est de savoir si une fusion contrôlée et stable peut être provoquée et maintenue par l’être humain. Voyons comment cela pourrait se faire.

Conditions de la fusion thermonucléaire

La fusion nucléaire stellaire se passe dans des conditions extrêmes :

• la température au cœur du soleil est de 15 millions de degrés Celsius ;
• la pression y est 200 milliards de fois plus forte que la pression atmosphérique terrestre.

Il est aujourd’hui extrêmement difficile d’obtenir des conditions identiques en laboratoire pour des raisons technologiques et financières. Cependant, grâce aux avancées de la recherche scientifique dans plusieurs domaines, il est possible d’atteindre des températures encore plus élevées que celles qui règnent au sein du Soleil, avec une pression moindre.

Les températures de fusion nucléaire avec lesquelles les scientifiques travaillent actuellement s’approchent rapidement des 100 millions de degrés Celsius, et certains projets visent les 200 millions de degrés Celsius. Cela pose bien sûr des problèmes de confinement : quels matériaux utiliser comme contenant dans une expérience de ce type ? Tous ceux connus et utilisés sur Terre fondent bien avant d’atteindre ces températures extrêmes.

Pour contourner ce problème, deux solutions innovantes sont actuellement à l’étude :

• la fusion par confinement magnétique ou le combustible de fusion est contenu grâce à l’utilisation d’aimants de très grande puissance. Les appareils utilisant cette solution sont notamment les tokamaks (toriques et sphériques) et les stellarators (de forme torique uniquement, comme un donut) ;
• la fusion par confinement inertiel qui utilise les forces inertielles (c’est-à-dire la résistance des corps au mouvement) pour maintenir les combustibles en place. Ce principe est utilisé par les machines à striction axiale (parfois appelées Z-pinch) et les projets de fusion nucléaire par laser.

Combustible de fusion nucléaire

Une fois les conditions d’expérimentation fixées, il faut se procurer du combustible. Autrement dit, des atomes qui fusionneront du fait de la chaleur et de la pression.

Dans le Soleil, ce sont des noyaux d’hydrogène, composés d’un proton seulement, qui fusionnent pour donner de l’hélium. Cet atome est plus lourd : son noyau contient deux protons et un ou plusieurs neutrons. Pour la fusion nucléaire contrôlée, les scientifiques se concentrent actuellement sur deux atomes :

• le deutérium, un isotope d’hydrogène contenant un proton et un neutron ;
• le tritium, un isotope d’hydrogène contenant un proton et deux neutrons.

La fusion du deutérium et du tritium donne naissance à un noyau d’hélium très chaud et libère un neutron de grande énergie.

Fusion nucléaire et plasma

Les scientifiques qui travaillent sur l’épineux problème de la fusion nucléaire prennent donc du deutérium et du tritium pour le mettre dans leur prototype. Comme nous l’avons vu, il peut s’agir d’un tokamak, d’un stellarator, d’une machine à striction axiale ou d’un ensemble de lasers.

Une fois l’appareil en route, le combustible va monter en température et en pression. Tellement que la matière va accéder à un nouvel état : le plasma. Ce n’est ni un solide, ni un liquide, ni un gaz. Les conditions sont si extrêmes que les électrons ne sont plus associés aux noyaux, on dit que les atomes sont ionisés. C’est dans cet état de la matière que la fusion a lieu.

Pourquoi la fusion nucléaire ne marche pas ?

S’il est possible de créer un tel plasma, deux freins principaux empêchent encore l’utilisation de la fusion nucléaire industrielle :

• il est pour l’instant difficile de maintenir la matière à l’état de plasma plus de quelques secondes. Le record est actuellement de 17 minutes, une durée largement insuffisante pour utiliser la fusion comme source d’énergie ;
• les systèmes développés jusque-là requièrent plus d’énergie pour produire du plasma qu’il n’est possible d’en récupérer grâce aux réactions de fusion. Autrement dit, le rendement de la fusion nucléaire ne permet pas encore une exploitation rentable. On appelle seuil d’ignition de la fusion nucléaire le moment ou la réaction libère autant d’énergie qu’elle en a consommée pour se produire.

Autrement dit, la fusion contrôlée est possible, mais des avancées technologiques sont encore nécessaires pour pouvoir exploiter son potentiel.

Usages de la fusion nucléaire

Comme dans le cas d’autres avancées scientifiques, les premières applications de la fusion ont été militaires. Historiquement, le principe de la fusion nucléaire est utilisé depuis les années 1950 pour la fabrication de bombes H (bombes à hydrogène, bombes à fusion ou encore bombes thermonucléaires). Cependant, il convient de rappeler que dans ces explosifs, une bombe A (bombe à fission) sert de déclencheur : elle libère la chaleur permettant à la fusion d’avoir lieu. De plus, cette fusion n’est pas contrôlée.

L’usage de la fusion qui intéresse le plus la communauté scientifique aujourd’hui est la production d’électricité. Comme nous l’avons vu, cette réaction libère une très grande quantité d’énergie. À titre de comparaison, l’énergie libérée lors de la fusion nucléaire est quatre fois supérieure à celle de la fission nucléaire (à masse égale) et près de quatre millions de fois supérieure à celle que génèrent des réactions chimiques telles que la combustion d’énergies fossiles. De plus, les combustibles utilisés sont très courants et coûtent peu cher. Pour ces raisons, la fusion fait rêver depuis longtemps, et la création d’un soleil artificiel qui produirait une énergie illimitée à très faible coût inspire la culture populaire et les chercheurs de renom.

Comment la fusion nucléaire produit de l’énergie ?

Lors de la fusion nucléaire, l’énergie libérée prend principalement la forme d’un neutron très énergétique. Cependant, il ne peut pas être exploité directement ainsi.

Voici comment produire de l’électricité à partir de fusion nucléaire :

1. dans un plasma confiné magnétiquement, les neutrons ne sont pas soumis au champ magnétique, car ils n’ont pas de charge ;
2. lors de la fusion, ils peuvent donc quitter le plasma ;
3. ils entrent en contact avec la paroi de l’appareil de confinement (tokamak ou stellarator par exemple) et lui transmettent son énergie sous forme de chaleur ;
4. cette énergie thermique sera utilisée pour produire de la vapeur ;
5. grâce à des turbines et alternateurs, cette vapeur crée de l’électricité.

Aujourd’hui, une grande partie de l’électricité du mix énergétique français et de celle produite dans le monde utilise une source de chaleur pour produire de la vapeur d’eau et actionner un alternateur via une turbine. C’est le cas des centrales thermiques (à gaz, à charbon ou à par exemple), ainsi que des centrales nucléaires.

D’autres techniques reposent sur les forces de la nature pour entraîner directement des turbines. C’est le cas des barrages hydroélectriques, des éoliennes ainsi que de l’énergie houlomotrice et de l’énergie marémotrice.

Une entreprise américaine (Helion Energy) travaillant sur la fusion par confinement inertiel avec lasers prévoit cependant de procéder autrement : elle cherche à exploiter le flux magnétique généré par l’expansion du plasma en fusion pour produire directement de l’électricité. Pour cela, elle mise sur une réaction entre du deutérium et de l’hélium 3 (deux protons et un neutron) qui est aneutronique, c’est-à-dire qu’elle n’émet pas de neutron. La société estime pouvoir ainsi récupérer 95 % de l’énergie libérée par le plasma, un rendement très impressionnant. Notons toutefois que ses résultats n’ont pas encore été publiés dans une revue scientifique.

Est-ce que la fusion nucléaire est dangereuse ?

L’énergie nucléaire est une énergie primaire qui a tendance à inquiéter les consommateurs : nous avons tous conscience que les accidents peuvent se produire et que la question de la gestion des déchets nucléaires est loin d’être réglée. Si ces préoccupations sont valables pour la fission, elles ne le sont pas réellement pour la fusion, car :

• la fusion contrôlée n’est pas une réaction en chaîne, contrairement à la fission. Cela signifie qu’elle ne peut pas s’emballer en cas de défaillance. Sans apport extérieur d’énergie, la réaction de fusion s’arrête tout simplement. Autrement dit, éteindre le système est quasiment aussi rapide et facile que d’éteindre une ampoule ;
• la réaction de fusion ne produit pas de déchets radioactifs de haute activité à vie longue. Le seul déchet de fusion nucléaire qu’il faudra traiter avec prudence est la structure interne du réacteur suite à l’absorption répétée de neutrons. Cela sera une problématique clé lors du démantèlement des centrales à fusion (qui ne sont pas encore construites).

Les dangers de la fusion nucléaire sont donc bien moindres que ceux de la fission, mais pas inexistants.

La fusion nucléaire, énergie renouvelable ?

La fusion nucléaire présente plusieurs avantages qui auraient tendance à la placer parmi les énergies propres :

• ses combustibles, le deutérium et le tritium, peuvent techniquement être extraits très facilement et ils ne sont que très peu radioactifs ;
• cette source d’énergie est entièrement décarbonée, elle ne rejette pas de CO₂ ou autre gaz à effet de serre lors du fonctionnement d’un réacteur ;
• les déchets de fonctionnement sont relativement facilement gérables, ils sont généralement décrits comme n’étant pas des « déchets radioactifs de haute activité à vie longue » ;
• il n’y a pas de risque d’emballement de la réaction de fusion. En cas de défaillance d’un des systèmes, le processus s’interrompt de lui-même.

Cependant, cette énergie a aussi ses détracteurs parmi les personnes luttant pour une transition énergétique rapide et verte :

• si le tritium peut être obtenu à partir de lithium, nos lecteurs les plus renseignés sauront que ce minerai est déjà la cause de tensions sociales, environnementales et économiques. Les gisements de ce minerai sont localisés en certains points uniquement, son extraction peut être polluante et tous les pays ne protègent pas leurs mineurs correctement. De plus, la demande pour cet élément est très forte sur le marché de l’électronique. Des solutions de long terme sont envisagées en utilisant les déchets produits dans les centrales nucléaires (à fission actuellement, à fusion à l’avenir), mais tout cela reste théorique pour le moment ;
• le tritium est également radioactif, bien moins que l’uranium, certes, mais suffisamment pour nécessiter des protections spéciales ;
• la construction des structures permettant de travailler sur la fusion nécessite d’ores et déjà des quantités astronomiques de matériaux dont l’empreinte environnementale laisse à désirer. Certains sont même hautement toxiques (comme le béryllium). L’énergie grise de la construction des centrales à fusion sera donc une problématique au cœur du développement de cette énergie ;
• même si la fusion devenait la source d’énergie quasi-inépuisable qui est avancée par les scientifiques, les délais nécessaires pour atteindre cet objectif la rendent inadaptée comme solution à la crise climatique actuelle. Continuer sur le modèle actuel en attendant la fusion semble être une très mauvaise idée.

Pour les consommateurs qui s’intéressent à cette question et souhaitent agir pour l’environnement, il est conseillé d’utiliser un comparateur des fournisseurs d’énergie pour trouver le contrat d’électricité verte (et/ou de biométhane) le plus adapté. Les experts énergie Choisir.com sont également joignables par téléphone pour accompagner gratuitement les personnes qui le souhaitent (prix d’un appel local, service sans obligation d’achat).

Fusion nucléaire, où en sommes-nous ?

Des projets de centrale de fusion nucléaire existent dans de très nombreux pays. Cependant, il faut bien comprendre que les seules structures qui existent actuellement ou qui sont en construction ne sont pas destinées à produire de l’électricité avec la fusion mais à tester les possibilités qu’offre cette source d’énergie. La construction d’un réacteur nucléaire à fusion est encore loin, mais les travaux scientifiques réalisés actuellement sont une étape indispensable.

Où en est la fusion nucléaire en France ?

La France héberge deux structures de recherche sur la fusion nucléaire, chacune avec une technique de confinement différente.

Avancement du projet ITER

L’installation ITER (pour International Thermonuclear Experimental Reactor, mais également « chemin » en latin) est en cours de construction dans le département des Bouches-du-Rhône, à Saint-Paul-lez-Durance près du centre d’études nucléaires du CEA de Cadarache (Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives). En tout, ce sont 35 pays qui sont engagés dans la construction du plus grand tokamak jamais conçu : les 27 membres de l’Union européenne, la Suisse, le Royaume-Uni, la Chine, l’Inde, le Japon, la Corée, la Russie et les États-Unis. Cette machine mesurera 29 mètres de haut et 28 mètres de diamètre, pèsera environ 23 000 tonnes et doit démontrer que la fusion par confinement magnétique peut être utilisée comme source d’énergie pour produire de l’électricité à grande échelle.

L’accord international pour ce projet de fusion a été signé en 2006 et les travaux ont commencé dès 2007. Au 31 janvier 2023, l’organisation estime que la construction est avancée à 78 %. De nombreux retards ont été accumulés sur ce projet : le premier plasma devait à l’origine être produit en 2016, puis reportée en 2025 et désormais en 2030 (annonce de novembre 2022). Depuis le début de l’année 2023, de nouveaux défauts sont constatés sur des pièces maîtresses du tokamak, ce qui risque de reculer encore la date de mise en route de l’appareil. Du côté des coûts engendrés également, la facture s’alourdit à mesure que le projet avance. Estimé à l’origine à 5 milliards d’euros, le montant final devrait finalement être compris entre 20 et 40 milliards d’euros.

La fusion au Laser Mégajoule

Le Laser Mégajoule (LMJ) est un bâtiment de 300 m qui abrite 176 faisceaux laser. Au centre se trouve une sphère de 10 m de diamètre appelée hall d’expérience où convergent les lasers sur une cible mesurant 2,4 mm de diamètre. À l’origine, les missions premières de cette installation sont d’ordre militaire : mis en service en 2014 à Le Barp (Gironde) sur un site du CEA, le Laser Mégajoule permet de faire des expériences scientifiques utilisées dans les simulations d’usages d’armes nucléaires. Ces simulations remplacent les essais nucléaires que la France utilisait dans le passé et qu’elle a définitivement cessés en 1996. Il n’existe que 2 installations de ce type à travers le monde, la seconde étant aux États-Unis.

Il est cependant prévu qu’environ 20 % des 200 tirs de laser annuels soient utilisés pour la recherche civile, dans le but notamment de faire avancer les connaissances sur la fusion. En effet, cette installation permet d’atteindre des températures de plus de 100 millions de degrés et une pression un milliard de fois supérieure à la pression atmosphérique. À l’heure actuelle, les expériences effectuées au LMJ n’ont pas donné lieu à une avancée majeure, mais cela ne signifie pas pour autant que des progrès ne sont pas réalisés tous les jours.

La fusion nucléaire dans le monde

La fusion nucléaire est l’un des sujets où la coopération internationale est la plus forte. Depuis près de 70 ans, des projets de tokamaks ont vu le jour dans le monde. Ils sont aujourd’hui environ 200 à servir de terrain de jeu pour les scientifiques travaillant sur la fusion, et toutes ces données sont utilisées dans le cadre du projet de fusion nucléaire ITER. À cela s’ajoutent également les installations de fusion par confinement inertiel (machines à striction axiale et lasers). Parmi les annonces les plus importantes de ces dernières années, on citera celles provenant :

• de Chine ;
• des États-Unis ;
• du Royaume-Uni.

Fusion nucléaire en Chine

En décembre 2021, les scientifiques de l’Institut de Physique des Plasmas de l’Académie des Sciences à Hefei en Chine ont réussi à maintenir un plasma de fusion à une température de 70 millions de degrés pendant 17 minutes et 36 secondes dans le tokamak EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak). Précédemment, ce même « soleil artificiel chinois » avait réussi à atteindre 160 millions de degrés Celsius pendant 20 secondes et à maintenir son plasma à une température de plus de 120 millions de degrés Celsius pendant 101 secondes.

Ces réussites des scientifiques chinois sont une avancée sérieuse pour les connaissances mondiales sur le sujet et seront d’une grande aide lors de la mise en route d’ITER.

Fusion nucléaire en Californie

En décembre 2022, des physiciens du laboratoire californien Lawrence Livermore (LLNL) à San Francisco ont pour la première fois atteint le seuil d’ignition de la fusion nucléaire. Autrement dit, l’énergie libérée lors de la réaction était au moins égale à l’énergie projetée sur les combustibles pour enclencher le phénomène. Cette « percée scientifique majeure » annoncée par le laboratoire américain a eu lieu dans le laser NIF (pour National Ignition Facility), un instrument semblable au LMJ.

Si cette avancée stimule les espoirs de la communauté internationale, il faut toutefois rappeler deux points importants :

• l’énergie libérée (3,15 mégajoules) suffit à compenser celle injectée dans la chambre d’expérience (2 mégajoules), mais elle est très loin de dépasser toute l’énergie requise pour le fonctionnement du système global. En effet, les lasers du NIF ont eu besoin de 322 mégajoules d’énergie pour fonctionner lors de cette expérience ;
• actuellement, le NIF permet de faire quelques tirs par semaine. Pour exploiter la fusion à l’échelle industrielle, il faudrait être capable de faire environ dix tirs par seconde, tous les jours de l’année.

Cette annonce est donc une belle victoire, mais le chemin reste encore long pour développer la centrale à fusion par confinement inertiel.

Fusion nucléaire au Royaume-Uni

En février 2023, c’est une équipe du Joint European Torus (JET) situé près d’Oxford qui a réussi à générer 59 mégajoules d’énergie. Ce record mondial a été atteint en maintenant la production d’énergie de fusion pendant cinq secondes. Cette durée est encore bien trop courte pour envisager la création de centrales nucléaires à fusion, mais ce résultat est très prometteur.

La fusion nucléaire, avantages et inconvénients

Comme l’ensemble des sources d’énergie exploitées par l’être humain, la fusion possède des atouts et des désavantages.

Voici les avantages de la fusion atomique comme source d’énergie :

• cette source d’énergie, une fois domestiquée, serait extrêmement abondante et permettrait de produire une quantité considérable d’électricité à des prix relativement bas ;
• les combustibles envisagés (deutérium et tritium) sont relativement faciles à se procurer, peu chers et peu radioactifs ;
• le fonctionnement d’un réacteur à fusion ne rejetterait pas de CO₂ ou autre gaz à effet de serre ;
• les déchets radioactifs produits ont un niveau de radioactivité bien plus faible que ceux d’une centrale à fission et leur durée de vie est bien plus courte ;
• en l’absence de réaction en chaîne, il n’y a pas de risque d’emballement du phénomène menant potentiellement à une catastrophe. En cas de défaillance d’un ou plusieurs équipements, la réaction s’arrête d’elle-même ;
• les futures centrales de fusion ne contiendront pas d’éléments susceptibles d’être utilisés pour fabriquer des armes nucléaires, elles ne pourront donc pas participer à la prolifération de ces armes (contrairement aux réacteurs à fission).

Toutefois, comme mentionné dans cet article, la fusion nucléaire est une énergie qui possède plusieurs inconvénients :

• la complexité des étapes à maîtriser pour parvenir à une fusion fait douter certains de notre capacité à utiliser un jour la fusion comme source d’énergie ;
• même si des centrales de ce type finissaient par être construites, cela arriverait trop tard pour résoudre la crise énergétique et climatique actuelle ;
• les sommes investies dans la recherche scientifique sur la fusion atomique sont colossales. Certaines voix s’élèvent pour critiquer ce choix qui semble nuire à l’essor d’autres solutions propres (le solaire et l’éolien, mais aussi thalassothermie, aérothermie, aquathermie, énergie osmotique, etc.) ;
• les méga-projets en cours et futurs requièrent l’utilisation d’une quantité énorme de matériaux, dont certains sont transportés d’un bout de la Terre à l’autre pour être façonnés. L’investissement dans la fusion nucléaire demande donc des sacrifices écologiques que ses opposants ne trouvent pas justifiés ;
• les centrales à fusion finiront par arriver en fin de vie, et leur démantèlement posera des problèmes considérables du fait notamment de la présence d’une grande quantité de matériaux toxiques et/ou irradiés.

Perspectives d’avenir pour la fusion nucléaire

Cette énergie semble avoir de beaux jours devant elle. En effet, les sommes investies au niveau international sont extrêmement importantes et, plus important encore, il semble y avoir une réelle volonté politique d’avancer dans cette direction de la part d’une grande partie des pays du monde.

Cependant, il faut également rappeler que le chemin à parcourir est encore très long et que les premiers réacteurs produisant de l’électricité à partir de la fusion ne verront pas le jour avant au moins une trentaine d’années, probablement plus longtemps encore. Comme l’énergie libre, la fusion s’appuie sur un principe physique sérieux, mais la mise en pratique se confronte à de très nombreux aléas techniques qui nécessitent beaucoup de temps et d’argent pour leur résolution. L’espoir de la fusion nucléaire ne doit donc pas faire oublier l’urgence d’une transition énergétique verte rapide.

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