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

La fusion et la fission nucléaires sont deux processus physiques naturels qui libèrent de l'énergie à la suite de l'interaction entre les atomes. Ces énergies sont d'une magnitude supérieure à celles des réactions chimiques. Alors que la fusion et la fission sont des phénomènes naturels sans lesquels la vie sur terre ne pourrait exister, c'est l'application artificielle de ces forces qui attire le plus souvent l'attention. L'utilisation ou la mauvaise utilisation de l'énergie nucléaire en est venue à définir une grande partie de notre monde moderne, créant autant de promesses que de menaces.

Qu'est-ce que la fission nucléaire

En termes simples, la fission nucléaire est la division d'un atome en deux atomes ou plus de poids atomique inférieur. Lorsque la masse totale des atomes plus petits est inférieure à celle de l'atome d'origine, la différence de masse est convertie en énergie. Comme Einstein nous l'a appris avec sa célèbre équation E=mc2, une petite quantité de masse se convertira en une grande quantité d'énergie. C'est à cause de l'énorme potentiel énergétique qui est lié dans un noyau atomique.

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Fission nucléaire dans la nature

La fission nucléaire se produit naturellement tout le temps. Les éléments lourds tels que l'uranium et le thorium subissent en permanence une fission lente et spontanée qui génère de la radioactivité et de la chaleur. Cette chaleur réchauffe la croûte et le noyau en fusion de la planète. Le noyau rotatif génère le champ magnétique qui protège toute vie des radiations cosmiques et solaires mortelles. On pense également que la chaleur de la désintégration radioactive est à l'origine de la tectonique des plaques.

Physique atomique ancienne

En 1913, le scientifique danois Niels Bohr a conceptualisé l'atome comme une sorte de système solaire miniature, avec des électrons en orbite autour d'un noyau dans des emplacements définis qu'il a décrits comme des coquilles. Lorsqu'un électron se déplaçait entre les couches, le rayonnement était soit émis, soit absorbé. De nombreuses expériences ont été menées dans les années 1920 et 1930 pour explorer et affiner davantage le modèle atomique.

Projet Manhattan

Avec la prise de conscience que bombarder le noyau d'un atome lourd avec des particules énergétiques pouvait déclencher une réaction en chaîne, la possibilité d'une bombe est devenue réelle. Les États-Unis ont lancé le projet Manhattan, aboutissant au largage de la bombe atomique sur les villes japonaises d'Hiroshima et de Nagasaki.

Utiliser la fission nucléaire pour produire de l'électricité

Alors que le potentiel destructeur d'une réaction de fission était clair, il y avait des applications plus prometteuses pour l'avenir. En tant que source d'énergie, l'énergie nucléaire était des millions de fois plus dense que les combustibles conventionnels. L'attention s'est tournée vers la conception de réacteurs à fission à l'échelle commerciale. Le premier à être mis en ligne était à Shippingport, en Pennsylvanie en 1957 et pouvait générer 60MWe.

Gestion des déchets nucléaires

L'engouement pour l'énergie nucléaire a vu la mise en service de dizaines de réacteurs au cours des décennies suivantes, culminant à 107 réacteurs aux États-Unis en 1990. S'il présentait de nombreux avantages, l'expérience pratique de l'exploitation de ces installations a également mis en évidence de graves problèmes. Les sous-produits de la fission, en particulier les déchets hautement radioactifs, pourraient rester dangereux pendant de nombreuses années. Des accidents nucléaires comme ceux de Three Mile Island en 1979 et de Tchernobyl en 1986, ont démontré que même une ingénierie avancée ne pouvait pas atténuer tous les risques liés à la production d'énergie nucléaire à partir de sources de fission.

Une réponse possible à ce problème était la fusion nucléaire. En théorie, la fusion pourrait générer des quantités d'énergie encore plus importantes que la fission sans créer de déchets dangereux.

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Qu'est-ce que la fusion nucléaire ?

La fusion nucléaire est le contraire de la fission, en ce sens qu'elle implique la fusion de deux atomes ou plus pour former un nouvel élément plus lourd. L'atome nouvellement formé contiendra une masse légèrement inférieure à la somme des atomes qui ont été utilisés pour le créer. La masse manquante est convertie en énergie. La production d'énergie de la fusion est plusieurs fois supérieure à celle obtenue dans le processus de fission. Bien que la fusion produise des sous-produits radioactifs, leur durée de vie est extrêmement courte par rapport à la fission.

La fusion nucléaire dans la nature

L'exemple naturel le plus évident de fusion nucléaire est notre Soleil. La chaleur et la gravité énormes au centre du Soleil provoquent la fusion des éléments hydrogène dans une série d'interactions complexes pour former de l'hélium, produisant ainsi d'énormes quantités d'énergie. Le soleil subit cette fusion hydrogène-hélium depuis environ 4,5 milliards d'années et devrait continuer pendant au moins 5 milliards de plus avant de manquer de carburant hydrogène.

Efforts pour réaliser la fusion nucléaire

Atteindre une réaction de fusion durable a été un chemin beaucoup plus difficile que les efforts de fission des années 1940. Cela est dû à une barrière fondamentale à laquelle les ingénieurs sont confrontés, à savoir comment surmonter la répulsion électrostatique entre les atomes et les forcer à fusionner sans dépenser plus d'énergie que ce qui est gagné. Dans la nature, cela est réalisé dans un régime de températures extrêmement élevées, de l'ordre de millions de degrés. De nombreuses décennies et des milliards de dollars ont été dépensés dans le monde, et on ne sait toujours pas quand, le cas échéant, une centrale nucléaire à fusion deviendra opérationnelle.

L'avenir de l'énergie nucléaire

À l'ère des sources d'énergie neutres en carbone, l'énergie nucléaire pourrait avoir un rôle à jouer. Les nouvelles conceptions de réacteurs à fission peuvent retraiter efficacement les déchets radioactifs et les utiliser pour générer plus d'énergie. La fusion nucléaire reste cependant le Saint Graal de la production d'électricité. Si cela peut être réalisé, nos soucis énergétiques seront terminés.