Qu’est-ce que la fusion nucléaire ? Et comment fonctionne-t-elle ?

Actuellement, les centrales nucléaires produisent de l’énergie en exploitant le procédé de fission. La fission nucléaire consiste à prendre un atome lourd tel que l’isotope d’uranium U-235, et à le scinder en deux atomes plus légers. Ce procédé libère une quantité considérable d’énergie utilisable.

La fission est initiée en bombardant l’U-235 avec des neutrons. Lorsque ces neutrons entrent en collision avec les atomes d’U-235, ils provoquent la libération de neutrons supplémentaires qui entrent ensuite en collision avec d’autres atomes d’U-235, créant ainsi une réaction en chaîne. Cette réaction peut également produire un rayonnement électromagnétique. Pour maximiser la production d’énergie, le nombre de neutrons utilisés dans la fission doit être contrôlé afin d’empêcher la réaction en chaîne de s’éteindre ou de devenir incontrôlable. 

Les réacteurs à fission exploitent l’énergie produite de la même manière que les centrales électriques conventionnelles. 
La fission se produit dans une cuve de réacteur, modérée par des barres de contrôle. La chaleur issue de la réaction est utilisée pour chauffer de l’eau et produire de la vapeur. Cette vapeur entraîne ensuite une turbine pour produire de l’électricité. Des étapes supplémentaires sont nécessaires pour éliminer en toute sécurité le combustible usé, car il est radioactif et peut avoir une demi-vie de plus de 10 000 ans. Dans de nombreux cas, les coûts de démantèlement représentent jusqu’à 15 % du coût initial en capital.

Pour créer du combustible pour la fission nucléaire, un enrichissement est d’abord nécessaire afin d’augmenter la concentration en uranium-235 de l’abondance naturelle de 0,7 % présente dans le minerai d’uranium à 4-5 % requis pour le procédé de fission. Cela se fait en utilisant entre 1 000 et 2 000 étages de centrifugeuses. Pour ce faire, le minerai d’uranium est converti en gaz UF6, traité, puis transformé en pastilles de combustible après le procédé d’enrichissement. Le procédé centrifuge est soigneusement contrôlé sous des paramètres de vide spécifiques.

En février 2026, 416 réacteurs d’une capacité nette d’environ 400 GWe étaient en fonctionnement dans 31 pays. Ces réacteurs produisent environ 9 % de l’électricité mondiale. De plus, 70 réacteurs nucléaires sont en construction. Le minerai d’uranium est extrait dans 10 pays et possède une densité énergétique 70.000 fois supérieure à celle des combustibles fossiles. Le coût de construction d’une centrale nucléaire peut varier entre 2 et 20 milliards de dollars, bien que le développement d’unités plus petites et moins coûteuses soit envisageable.

De nombreuses approches différentes ont été proposées pour réaliser la fusion. Cependant, il existe deux principaux types de confinement qui sont explorés.

La fusion par confinement magnétique (FCM) est sans doute la voie la plus prometteuse pour la production commerciale d’énergie. Elle utilise une série d’aimants supraconducteurs très puissants, refroidis à l’hélium liquide afin d’optimiser les performances de l’appareil.

Les dispositifs de confinement magnétique les plus courants sont le Tokamak et le Stellarator, bien que certaines installations aient expérimenté des dispositifs utilisant des miroirs magnétiques. Ces trois types de dispositifs comprennent un récipient à vide central, où le plasma est confiné et où la réaction de fusion se produit. Le récipient à vide est entouré d’un cryostat, où sont logés et refroidis les aimants supraconducteurs. Le Tokamak a une forme toroïdale, le Stellarator ressemble à un ruban torsadé, tandis que la machine à miroir a une forme cylindrique. Le champ magnétique force continuellement les atomes à se rapprocher et les températures élevées permettent « l’allumage » du plasma. 

Le second type courant de confinement est la fusion par confinement inertiel (ICF). Cette technique extrait l’énergie de fusion en bombardant de petits granulés (de 1 à 3 mm) de combustible DT avec des lasers ou des faisceaux de particules chargées pour comprimer et chauffer le mélange jusqu’à l’ignition. Ici, l’ignition désigne la condition où toutes les particules alpha sont arrêtées, ce qui provoque le chauffage du plasma.

La compression et le chauffage sont réalisés très rapidement à l’aide de lasers à haute puissance à impulsions courtes (1 à 10 ns), de rayons X ou de faisceaux d’ions qui intersectent le combustible sous plusieurs directions. Les dispositifs à action directe délivrent des impulsions d’énergie compressive directement au pastille de combustible. Les techniques de confinement inertiel par action indirecte placent la pastille de combustible à l’intérieur d’une petite enceinte métallique (hohlraum/chambre de combustion). Les lasers sont alors focalisés sur le hohlraum, le chauffant en un plasma qui émet des rayons X, lesquels sont ensuite absorbés par la pastille. La pastille se comprime alors de la même manière que dans le cas de l’action directe. Comparée aux dispositifs à action directe, l’approche par action indirecte est nettement moins efficace. La technique par action indirecte est utilisée dans les simulations d’armes nucléaires.

Pour produire de l’électricité à partir de la fusion par confinement inertiel (FCI), des pastilles de combustible sont déposées dans une chambre de réaction sous vide où elles sont enflammées. Le rayonnement provenant du plasma et des neutrons de fusion est absorbé par du lithium liquide. La chaleur produite est utilisée dans une génération de vapeur conventionnelle et le tritium est produit pour être recyclé en tant que nouveau combustible.

La fusion a le potentiel de produire d’énormes quantités d’énergie à partir d’une très petite quantité de combustible — seulement environ 250 kg par an dans un réacteur commercial — une fois que l’allumage soutenu est atteint.

Les principaux avantages de la fusion sont l’abondance du combustible comparée aux sources d’hydrocarbures, l’absence de sous-produits nocifs tels que les gaz à effet de serre, et sa sécurité intrinsèque par rapport à la fission nucléaire.

Comparée à la fission, la fusion nucléaire présente des avantages supplémentaires :

• Bien que la réaction de fusion libère des neutrons dangereux pour l’homme, ces neutrons sont contenus et la production de neutrons cesse presque dès que l’installation est arrêtée. 
  
• La fusion est intrinsèquement plus sûre car il n'y a pas de réactions en chaîne, de réactions incontrôlées ni de fusion du cœur.
  
• La fusion génère des températures extrêmes, mais si un plasma venait à s’échapper, la chaleur se dissiperait rapidement sans causer de dommages.
  
• Les neutrons peuvent présenter un danger mais sont facilement arrêtés.
  
• Bien que la fusion nucléaire produise des déchets radioactifs, cette radioactivité est de courte durée — surtout en comparaison avec les déchets produits par la fission. Cela inclut le récipient soumis au bombardement neutronique. 
  
• Les déchets produits par la fusion n’ont pas besoin d’être transportés pour être éliminés, stockés ou retraités.

L’exigence en vide dans les réacteurs à fusion dépend du type de confinement et de la taille du réacteur.

Le besoin le plus important en vide dans le confinement magnétique se situe dans la chambre à vide centrale et la chambre cryostat environnante. Cela peut dépasser 100 m³ qui doivent être maintenus en UHV (environ 10^-9 mbar) afin d’éviter la contamination du plasma. 

Le vide est également nécessaire pour la production de tritium, le pompage de l’hélium et la recirculation du combustible. Dans le cas de la fusion par confinement inertiel, toutes les lignes laser ou de faisceaux de particules doivent être évacuées ainsi que la chambre de réaction.

Comme pour le confinement magnétique, cela peut être un volume très important nécessitant un UHV pour éviter les pertes et les aberrations dans les faisceaux. Les pompes turbomoléculaires et cryogéniques sont les plus couramment utilisées et elles doivent pouvoir supporter le pic localisé de radiation et les champs magnétiques élevés. Des préoccupations similaires s’appliquent aux ensembles de pompes primaires, aux jauges et aux vannes.

Une des exigences clés pour les pompes à vide est la capacité à gérer le tritium. Cela signifie que les joints métalliques sont préférés et que les pompes doivent être exemptes de fluor/halogènes et d’hydrocarbures.

Dans le cas du confinement magnétique, les pompes doivent également être capables de fonctionner sous de forts champs magnétiques et un blindage est souvent nécessaire.  L’espace autour des chambres de réaction est très limité et les arrêts sont extrêmement coûteux, les pompes doivent donc avoir une empreinte réduite et être très fiables avec des besoins de maintenance minimaux.