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Sciences · Physique

Fission et fusion nucléaires

La fission nucléaire casse un noyau lourd (uranium, plutonium) en deux noyaux plus légers ; la fusion assemble deux noyaux légers (isotopes de l’hydrogène) en un plus lourd. Les deux libèrent une énergie considérable.

Mis à jour le 5 min de lecture

Une centrale nucléaire et le Soleil tirent leur énergie du noyau de l'atome, mais de deux façons opposées. La centrale casse des noyaux lourds : c’est la fission. Le Soleil assemble des noyaux légers : c’est la fusion. Dans les deux cas, une petite partie de la masse disparaît et se transforme en énergie, selon la relation E = mc².

Fission et fusion en un tableau

FissionFusion
Principeun noyau lourd se scinde en deuxdeux noyaux légers s’unissent
Combustibleuranium 235, plutonium 239deutérium et tritium (isotopes de l’hydrogène)
Déclenchementabsorption d’un neutrontempératures de plus de 100 millions de degrés (en laboratoire)
Énergie par réactionenviron 200 MeV17,6 MeV pour deutérium + tritium
Énergie par kilogrammetrès élevéeenviron quatre fois plus élevée
Déchetsproduits de fission très radioactifs, certains à vie longuehélium (inerte) ; matériaux de l’enceinte activés par les neutrons
Risque d’emballementoui, si la réaction en chaîne n’est pas contrôléenon : la réaction s’éteint d’elle-même au moindre déséquilibre
Usage civilcentrales nucléaires depuis les années 1950expérimental (ITER, NIF…), pas encore de production d’électricité
Dans la naturerare (réacteurs naturels d’Oklo, Gabon, il y a deux milliards d’années)source d’énergie de toutes les étoiles

Pourquoi le noyau libère-t-il de l’énergie ?

Les protons et neutrons d’un noyau sont liés par l'interaction forte. Un noyau pèse un peu moins que la somme de ses constituants : la différence, le défaut de masse, correspond à l’énergie de liaison. Or cette énergie de liaison par nucléon n’est pas la même pour tous les noyaux : elle est maximale pour les noyaux de taille moyenne, autour du fer.

  • Casser un noyau très lourd (uranium) en deux noyaux moyens, mieux liés, libère de l’énergie : c’est la fission.
  • Assembler deux noyaux très légers (hydrogène) en un noyau plus lourd et mieux lié (hélium) libère aussi de l’énergie : c’est la fusion.

La fission nucléaire

La découverte

En décembre 1938, à Berlin, Otto Hahn et Fritz Strassmann bombardent de l’uranium avec des neutrons et y détectent du baryum, élément deux fois plus léger. Au début de 1939, Lise Meitner et son neveu Otto Frisch en donnent l’interprétation : le noyau d’uranium s’est cassé en deux. Ils nomment le phénomène « fission », par analogie avec la division cellulaire.

La réaction en chaîne

Un noyau d’uranium 235 qui absorbe un neutron se scinde, par exemple, en krypton et en baryum, et libère 2 ou 3 neutrons en plus d’une grande énergie. Ces neutrons peuvent provoquer à leur tour d’autres fissions : c’est la réaction en chaîne.

¹n + ²³⁵U → ⁹²Kr + ¹⁴¹Ba + 3 ¹n + énergie

  • Si chaque fission en provoque exactement une autre en moyenne, la réaction est stable : c’est le régime d’un réacteur.
  • Si elle en provoque plus d’une, la réaction s’emballe en une fraction de seconde : c’est le principe de la bombe atomique.

La première réaction en chaîne contrôlée est obtenue le 2 décembre 1942 à Chicago par l’équipe d’Enrico Fermi. Les bombes larguées sur Hiroshima (6 août 1945, uranium) et Nagasaki (9 août 1945, plutonium) reposaient sur la fission.

Dans une centrale

L’uranium naturel ne contient que 0,7 % d’uranium 235, le seul isotope naturel fissile (voir isotopes) ; pour les réacteurs à eau pressurisée, il est enrichi à 3 à 5 %. La chaleur dégagée par les fissions chauffe de l’eau, qui produit de la vapeur, laquelle fait tourner une turbine reliée à un alternateur. Des barres de contrôle, qui absorbent les neutrons, règlent la puissance. L’énergie nucléaire produit environ les deux tiers de l’électricité en France, l’une des parts les plus élevées au monde.

La fusion nucléaire

Le moteur des étoiles

Au cœur du Soleil, à environ 15 millions de degrés et sous une pression colossale, des noyaux d’hydrogène fusionnent en hélium par une série de réactions (la chaîne proton-proton). Le Soleil convertit ainsi environ 4 millions de tonnes de matière en énergie chaque seconde. Les étoiles plus massives fabriquent ensuite des éléments plus lourds, jusqu’au fer (voir cycle de vie des étoiles).

Pourquoi est-ce si difficile sur Terre ?

Les noyaux, tous chargés positivement, se repoussent. Pour qu’ils fusionnent, il faut les rapprocher à grande vitesse, donc les chauffer à plus de 100 millions de degrés, et les maintenir assez longtemps et assez denses. La matière est alors un plasma (voir états de la matière) qu’aucune paroi ne peut contenir. La réaction la plus accessible est :

²H (deutérium) + ³H (tritium) → ⁴He + ¹n + 17,6 MeV

Deux approches sont explorées :

  • le confinement magnétique : le plasma est maintenu par de puissants champs magnétiques dans une enceinte en forme d’anneau, le tokamak. Le projet international ITER, en construction à Cadarache (Bouches-du-Rhône), doit démontrer qu’un plasma peut produire dix fois plus de puissance de fusion qu’on lui en injecte ;
  • le confinement inertiel : une capsule de combustible est comprimée et chauffée par des lasers très puissants. Le 5 décembre 2022, la National Ignition Facility (États-Unis) a pour la première fois obtenu plus d’énergie de fusion que l’énergie laser déposée sur la cible, sans toutefois compenser l’énergie consommée par l’installation entière.

La bombe H (bombe thermonucléaire), testée pour la première fois en 1952, utilise une explosion de fission pour déclencher la fusion.

Les atouts espérés

Le deutérium s’extrait de l’eau de mer en quantité quasi inépuisable ; le tritium peut être produit à partir du lithium. La fusion ne produit pas de déchets de haute activité à vie longue et ne peut pas s’emballer. Mais aucune centrale de démonstration ne devrait produire d’électricité avant plusieurs décennies.

Questions fréquentes

Quelle est la différence entre fission et fusion ?

La fission casse un noyau lourd en deux noyaux plus légers ; la fusion assemble deux noyaux légers en un noyau plus lourd. Les centrales actuelles utilisent la fission, les étoiles la fusion.

Pourquoi les centrales n’utilisent-elles pas la fusion ?

Parce qu’on ne sait pas encore maintenir de façon stable et rentable un plasma à plus de 100 millions de degrés. Les réacteurs expérimentaux n’ont pas encore produit d’électricité.

Une centrale nucléaire peut-elle exploser comme une bombe ?

Non. L’uranium des réacteurs civils est trop peu enrichi pour une explosion nucléaire. Les accidents graves (Tchernobyl en 1986, Fukushima en 2011) ont résulté d’une perte de contrôle ou de refroidissement, avec explosions de vapeur ou d’hydrogène et rejets radioactifs.

Que deviennent les déchets de la fission ?

Les combustibles usés sont refroidis, en partie retraités, puis entreposés. En France, le projet Cigéo prévoit le stockage en couche géologique profonde des déchets les plus radioactifs.

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