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

La fission du nucléaire est le principe physique qui est utilisé dans le parc de réacteurs nucléaires actuel. La Fusion est un concept étudié dès les années 50, mais aucun réacteur n’utilise encore cette technologie. C’est énergie qui sera déployé au sein du réacteur Iter en développement dans le sud de la France. Quelle différence entre ces deux énergies ? Pour répondre à cette question, il faut aller au cœur de l’atome.

Qui dit nucléaire, dit noyau atomique. Les noyaux atomiques sont des assemblages de particules appelées nucléons et qui sont de deux types : les protons et les neutrons. Les deux ont à peu de chose près la même masse ; un proton porte une charge électrique élémentaire positive ; un neutron n’a pas de charge électrique. Les atomes sont constitués d’un noyau petit et dense entouré d’électrons. Un électron est très léger et porte une charge électrique élémentaire négative. Dans son état normal, un atome possède un nombre égal de protons et d’électrons et est donc électriquement neutre. Ce nombre, appelé numéro atomique, caractérise un élément chimique : 1 = hydrogène, 2 = hélium… , 92 = uranium. Les neutrons alourdissent les atomes. Pour un même élément, il peut y avoir plusieurs valeurs possibles du nombre de neutrons : on parle alors d’isotopes.

Au sein des noyaux, une force intense dite force nucléaire maintient ensemble les nucléons malgré les répulsions qu’exercent les charges électriques de même signe portées par les protons ; cette force nucléaire peut être imaginée comme une colle forte.

Dans une réaction nucléaire, par exemple l’impact d’un projectile sur un noyau, on peut observer des destructions ou des reconstructions d’édifices nucléaires. Cela amène des modifications des forces nucléaires et électriques, et donc des énergies de liaison associées. Si l’énergie de liaison globale augmente, cette augmentation est libérée sous forme de mouvement (énergie cinétique), donc finalement de chaleur. Si l’on souhaite « produire » (ou, plus précisément, libérer) de l’énergie nucléaire, il faut rechercher des réactions où l’énergie de liaison augmente.

Les physiciens nucléaires savent mesurer l’énergie de liaison des noyaux atomiques : elle résulte d’une simple mesure de masse, en vertu de l’équation d’Einstein E=mc². Dans le détail, l’énergie de liaison varie selon les structures nucléaires, mais en gros elle dépend essentiellement du nombre total de nucléons donc de la masse du noyau, peu différente de celle de l’atome. Calculée en moyenne par nucléon, elle est assez faible pour les petits noyaux, augmente jusqu’aux noyaux moyens autour du fer, puis diminue pour les plus gros noyaux. La conclusion est simple : si nous voulons libérer de l’énergie nucléaire, il nous faut :

• Soit assembler des petits noyaux pour en faire de plus gros ; c’est la fusion.
• Soit casser des gros noyaux pour en faire de moins gros : c’est la fission.

Reste à trouver, des procédés pour réaliser cela en pratique !

Pour la fission, on a trouvé une méthode assez simple : l’impact d’un neutron sur un noyau lourd fragile tel l’uranium 235. Quand il se brise en deux (fission), quelques neutrons sont émis à l’état libre. Il suffit de concevoir une configuration telle qu’une partie de ces neutrons induisent de nouvelles fissions, et ainsi de suite, dans une réaction en chaîne autoentretenue. C’est ce qui est réalisé dans les centrales électronucléaires d’aujourd’hui.

Pour la fusion, on n’a aujourd’hui rien inventé de plus simple que de porter les noyaux légers à des températures dépassant cent millions de degrés pour qu’ils entrent en contact et que la « colle » nucléaire les unisse. Toutes les difficultés technologiques qui devront être surmontées pour une exploitation industrielle de la fusion proviennent de cette gigantesque température. La réaction envisagée est la fusion de deux isotopes de l’hydrogène – le deutérium et le tritium – pour former noyau d’hélium.