Fusion ou fission nucléaire ?

par Xavier BRUHIERE, Quentin LEGO et Laurent SPILLEMAECKER,
classe de 2°7, année 2004/2005

Depuis quelques années, les scientifiques sont à la recherche d'énergies non polluantes et inépuisables.
Ont-ils relevés ce défit en trouvant ces énergies révolutionnaires?

Les réactions nucléaires sont des sources d'énergie qui pourraient répondre à ces critères. Le mot nucléaire signifie que cette énergie est fournie par le noyau d'un atome. Un atome est constitué d'un noyau constitué de nucléons (neutrons non chargés + protons chargés positivement) et d'électrons chargés négativement.
Selon la formule d'Einstein E = mc², un système libère de l'énergie proportionnellement à la perte de masse.

1. Comparons fission et fusion :

 

FISSION

FUSION

 

Historique

 La première réaction de fission fut réalisée aux États-Unis le 31 octobre 1952. Depuis cette expérience réussie, de nombreux autres pays ont construit des centrales nucléaires, présentant un grand intérêt économique pour leur production de chaleur, convertie en énergie mécanique puis en énergie électrique. C'est pour cette raison qu'en 1950 les premières productions d'énergie à grande échelle sont réalisées par les États-Unis, la France, l'URSS et le Royaume Uni. Malheureusement cette technique est très peu pratiquée par des pays moins développés, l'investissement de mise en place étant important. La fusion est le type de réaction qui se produit au cœur de notre Soleil. Étant considérée comme une des énergies renouvelables du futur, elle a été l'objet de nombreuses recherches. La voie de recherche de la fusion par confinement magnétique, à laquelle participe le CEA, consiste à confiner ce plasma dans une boîte immatérielle en anneau creux, Tore créé par des champs magnétiques intenses.
Ces recherches débouchent sur la construction actuelle de centrales dot celle de Cadarache, dans le sud de la France.

 

Comportement des particules

"Les réactions de fission sont réalisées par l'impact des neutrons sur des noyaux lourds, l'uranium 235 ou le plutonium 239. Lorsqu'un tel noyau se divise en 2, il émet 2 ou 3 neutrons. Certains des neutrons ainsi produits peuvent rencontrer d'autres noyaux lourds et provoquer à leur tour de nouvelles fissions. Dans des conditions bien déterminées, une réaction nucléaire en chaîne peut s'établir et, une fois amorcée, se poursuivre d'elle-même. Chaque noyau lourd qui subit la fission libère de la chaleur et de l'énergie cinétique, celle des fragments formés . © Larousse-Bordas 1998"

Choc d'un neutron contre un noyau d'uranium qui casse en produisant une énergie considérable et deux nouveaux noyaux eux même radioactifs.
"En fusionnant des nucléons, le travail de ces forces de cohésion fournit l'énergie de liaison  du noyau. Le bilan de l'opération est un gain d'énergie car le nombre de nucléons n'a pas varié et l'énergie de liaison par nucléon a augmenté. Pour réaliser la fusion de 2 noyaux légers, par exemple 2 noyaux de deutérium, il faut vaincre la répulsion qui existe entre eux du fait de leurs charges positives. Ils sont donc projetés l'un sur l'autre avec une très grande énergie, ce qui suppose une très forte agitation thermique du milieu . © Larousse-Bordas 1998"

 

  Inconvénients

- La réaction peut s'emballer à tout moment : le neutron libéré lors de la fission de l'uranium peut entraîner une réaction en chaîne en percutant les autres atomes, et c'est la catastrophe. Souvenez-vous de Tchernobyl !
 - Les centrales actuelles rejettent de nombreux déchets radioactifs mettant plusieurs centaines d'années avant de perdre leur radioactivité. Pour l'instant la seule solution est d'enterrer ces déchets toxiques.

- difficulté de maintenir une température l'ordre de 100 millions de degrés, nécessaire pour provoquer une collision entre 2 noyaux de même charge électrique.
- Nécessité de confiner le plasma, c'est-à-dire le tenir à l'écart, en l'entourant de puissants aimants supraconducteurs car à très haute température, les matériaux ne résistent pas.

 

Avantages

- Cette technique est actuellement très productive et relativement contrôlée.
- On peut aisément arrêter la réaction en coupant l'alimentation.
- Les déchets radioactifs produits en moins grande quantité, ont une durée de vie beaucoup moins longue : de 30 à 40 ans en moyenne.
- Les deux combustibles de la fusion, le deutérium et le tritium sont inépuisables (en quantité astronomique dans la mer).

2. Réalisations possibles avec ce principe de fusion :

a) le tokamak
C'est un grand réacteur nucléaire dans lequel un champ magnétique confine un plasma à très haute température et haute pression, entraînant ainsi la fusion nucléaire de l'hydrogène.
Ce système a été conçu à l'origine par Igor Tamm et Andrei Sakharov en Union Soviétique au début des années 60, d'où le nom tokamak (association de trois mots russes : tok=courant, kamera=chambre, mak=magnétique).
Les premiers tokamaks se sont tout d'abord développés en URSS. Depuis, de nombreux autres réacteurs ont été construits et ont fonctionné dans plusieurs pays comme la Grande Bretagne, le Japon ou même la France. D'autres machines sont actuellement en cours de construction.
Dans le tokamak, des particules chargées sont confinées par un champ magnétique à l'intérieur d'un tore ou chambre de confinement en forme d'anneau. Les forces magnétiques agissent sur les particules. Cette réaction de fusion produit alors une énergie considérable.
Après les résultats prometteurs de plusieurs petits réacteurs, deux grandes installations ont été construites dans les années 80. Mais de nombreux problèmes restent à résoudre et il faudra certainement attendre 10 ou même 20ans avant de voir un réacteur thermonucléaire industriel en fonctionnement.
b) La fusion laser
La seconde technique de confinement du plasma est appelée le confinement inertiel, basée sur le bombardement du combustible (deutérium ou tritium) par un rayon laser, pour que la compression et l'augmentation de sa température conduisent à la fusion thermonucléaire.
Cette photo nous montre la chambre cible de Nova, le laser le plus puissant au monde. Dans la chambre, dix rayons laser sont envoyés simultanément sur le combustible, créant alors des réactions de fusion.
De nombreux laboratoires étudient actuellement cette technique, c'est d'ailleurs pour cette raison que les progrès de la recherche sont prometteurs.
De nos jours, il est très difficile de dire quelle méthode serait la plus adaptée pour l'avenir en correspondant aux critères économiques et écologiques, puisque ces techniques possèdent de nombreux avantages et inconvénients.

Depuis le début des années 1990, de nombreux progrès ont été obtenus. Le fait marquant de ces dernières années est la production d'environ 1.700.000watt par fusion nucléaire. Ce progrès pour la science physique fut réalisé en 1993 à Culham, au Royaume Unis. Puis en 1993 des chercheurs américains ont réalisés une réaction de fusion contrôlée en obtenant 5.600.000watts. D'autres expériences ont été réalisées un peu partout dans le monde .Mais le défauts majeur de ces expériences est qu'elles consomment plus d'énergie qu'elles n'en produisent !

Mais depuis quelques années, un projet d'intérêt mondial réunissant l'Europe, la Russie, le Japon, la Chine et les États-Unis a redonné espoir aux scientifiques. Cette centrale révolutionnaire va être construite à Cadarache dans le sud de la France. Cet immense chantier demandera beaucoup de main d'œuvre donc de nombreux emplois seraient créés. En effet, le futur réacteur mesurera 10m de haut pour 5m de large. De plus la minutie devra être la première qualité des ouvriers car une seule pièce défectueuse ferait échouer ce projet monumental !
Cette technologie pourrait fonctionner à partir de 2013.

Nous pouvons en conclure que la fusion nucléaire comporte de nombreuses qualités comme le fait d'être quasi inépuisable, mais aussi quelques défauts tels que le rejet de déchets radioactifs malgré ces défaillances, nous pensons que cette découverte, qui n'est pas des moindres, permettrait de résoudre certains problèmes sur notre planète. Bien sûr, il reste encore différents tests à réaliser, ainsi que de divers choix cruciaux comme "quel système est le plus fiable entre le tokamak et la fusion laser ?"
D'ici 2013 nous sommes optimistes et pensons que ces petits soucis seront résolus.
Enfin nous pouvons finir en disant que cette technologie répond à pratiquement tous les critères exigés et donc la fusion nucléaire EST la technologie du futur !!!