L’énergie qui alimente nos activités du quotidien provient, en partie, du nucléaire sous le processus nommé de fission nucléaire.

Aujourd’hui, ce processus semble avoir atteint ses limites.

Il ne correspond plus aux besoins énergivores grandissants de la population. Nos créations toujours plus folles nécessiteront toujours davantage d’énergie.

Actuellement, les scientifiques se penchent sur la question d’améliorer notre productivité et de fournir à la planète entière une source d’énergie suffisante pour combler tous les besoins.

Pour y parvenir, quoi de mieux que de s’inspirer de la nature ?

Le soleil en est le parfait exemple.

Avec ses 5500°C à la surface, ce dernier est dans un processus de combustion continu nommé la fusion nucléaire. Ce processus permet de réchauffer la terre depuis sa naissance et jusqu’à environ 5,5 milliards d’années encore.

Si nous parvenons à mettre en oeuvre et à maîtriser le principe de fusion nucléaire, cela permettrait de satisfaire la consommation d’énergie de l’espèce humaine pendant des millions d’années à venir.

Découvrons ensemble les principes de fission et de fusion nucléaire.

Principe de fission nucléaire

Dans le monde entier, les centrales nucléaires utilisent le processus de fission nucléaire afin de produire, en majorité, de l’électricité.
Dans le secteur de l’armement, ce principe est également utilisé dans la création des bombes nucléaires appelé Bombes A ou Bombe Atomique.

Le principe de base, afin de réaliser la fission nucléaire, réside dans la cassure d’un atome en deux.
Pas très compliqué n’est-ce pas ? Dis comme ça, effectivement, ça ne l’est pas !

Néanmoins, le processus et les moyens nécessaires pour mettre en oeuvre la fission nucléaire est plus complexe ! Regardons ensemble.

Le tableau périodique des éléments

Pour bien comprendre, nous devons revenir brièvement sur les bases de composition du noyau d’un atome.

Un noyau est composé de protons et de neutrons.
Dans le tableau de Mendeleïev, c’est le nombre de protons qui détermine sa place dans le tableau. Ci-dessous un exemple avec le Fer (Fe) occupant la place 26.

Tableau de Mendeleïev, également appelé « tableau périodique des éléments »

Si nous prenons le magnésium en exemple, celui-ci est composé de 12 protons et 12 neutrons, ce qui lui vaudra la 12 ème place dans le tableau.
En regardant en haut à gauche de la case, nous observons un nombre.
Ce nombre représente la masse atomique de l’élément observé. La masse atomique correspond à la somme des protons et neutrons. Dans le cas du magnésium elle est de 24 (12+12).

Cependant, il existe des variantes comme le Magnésium 25 composé de 12 protons et 13 neutrons. Généralement, le nombre de protons et neutrons sont identiques mais il existe des exceptions où les neutrons sont présents en petite quantité supplémentaire.

Revenons à présent au principe de fission

Si nous prenons l’exemple d’un atome d’Uranium 235 et que nous le cassons de pleine force avec nos doigts (lol) en le cassant, nous obtiendrons un atome de Barium 140 et un atome de Krypton 93.

Fission Uranium 235 en Barium et Krypton.
Crédit: science-étonnante.

Comme l’atome principal contient une énergie plus élevée (nous traduisons ici cette énergie en chaleur) que le résultat obtenu lors de la cassure, cela produit de l’énergie équivalent à la différence entre les deux masses.

En effet, 235 > 140 +93 en terme de masse atomique.

Dans cet exemple, nous avons pris un atome unique. En réalité c’est une réaction en chaîne du même type qui se produit mais a plus grande échelle, impliquant plusieurs atomes, ce qui multipliera l’énergie obtenue.

Toujours est-il que pour obtenir cette réaction, il faut la provoquer.

Déclenchement de la fission

Le déclenchement se réalise par l’ajout d’un neutron au sein du premier atome. Dans le cas présent, c’est comme si nous injectons un neutron dans l’atome d’Uranium 235 pour réaliser la fission. Lorsque cette fission s’opère, il y a libération de 3 neutrons supplémentaires venant se fracasser à leur tours contre d’autres atomes d’Uranium pour créer de nouvelles fissions: une réaction en chaîne est créé. (et ceci se passe en quelque nano-secondes).

à gauche, l’injection d’un neutron dans le noyau de l’atome d’Uranium 235. S’en suit une réaction en chaîne.
Crédit: science-étonnante.

Par ailleurs, cette réaction en chaîne se réalise uniquement avec des caractéristiques bien particulières: la capacité d’absorber et d’émettre des neutrons.

Ces caractéristiques, peu d’atomes l’ont. Nous pouvons noter L’uranium 235 et le Plutonium 239 qui eux, la détiennent mais ces 2 atomes sont présents en très petite quantité.

Principe de fusion nucléaire

Un phénomène naturel

Comme je vous l’évoquais en introduction de cet article, la fusion est présente de manière naturelle au sein de différent corps célestes et principalement au sein des étoiles. Comme nous l’avons expliqué de manière détaillée Dans notre guide ultime sur la composition de l’univers, je vous invite à y faire un tour. Vous y trouverez toutes les informations nécessaires concernant les étoiles en fusion !

Un phénomène artificielle

Le principe de base de la fusion est l’inverse de la fission. On va plutôt chercher à faire fusionner des atomes artificiellement !

Si nous prenons 2 atomes d’hydrogènes, nous les fusionnons, nous obtiendrons artificiellement un atome d’hélium qui est la base du processus de fusion nucléaire.

Néanmoins, pour y parvenir, nos scientifiques passent par des variantes (= appelées des isotopes) d’hydrogènes comme le Deuterium car ses atomes possèdent des caractéristiques plus stables que l’hydrogène. Actuellement, la formule travaillée dans les centrales à fusion nucléaire est la suivante:

Formule actuellement utilisée et travaillée dans les centrales à fusion.
Crédit: science-étonnante.

Cette formule libère davantage d’énergie que dans le principe de fission car contrairement à ce qu’on avait avec l’Uranium 235, l’énergie des 2 isotopes d’Hydrogène (Deuterium + Tritium) est encore plus élevée que l’énergie de l’atome d’Hélium obtenu.

L’énergie du Deuterium et du Tritium combiné est bien supérieur à l’énergie de l’hélium obtenu après fusion. Cette différence se libérant au moment de la fusion doit être récupérée pour être réutilisée. Cependant, quelques problèmes subsistent pour que le processus reste pérenne.

Pour que la réaction de fusion se réalise il faut d’abord « l’allumer » en injectant de l’énergie. C’est assez étrange d’évoquer qu’il faut de l’énergie pour en créer mais c’est exactement le principe dit de « barrière énergétique » que nous allons voir ci-après.

Barrière énérgétique

Afin d’illustrer ce phénomène « d’allumage » pour obtenir de l’énergie en retour, prenons l’exemple d’un lac perché en haut d’une falaise et imaginons un village en bord de cette falaise. Que faut-il pour que les habitants du village reçoivent l’eau jusqu’à leurs terres ?

Afin de récupérer l’eau de ce lac il faudra que celle-ci s’écoule le long de la falaise. Pour ce faire, il faudra dépenser de l’énergie pour faire sortir l’eau de son emplacement initial et qu’il génère par ruissellement plus d’énergie grâce à son mouvement (principe d’un moulin).

L’eau du lac en haut nécessite de l’énergie dans un premier temps pour ensuite tomber le long de la falaise.
Crédit: science-étonnante.

L’objectif est que l’énergie dépensée pour que l’eau déborde du lac soit plus faible que celle récupérée grâce à son ruissellement.

Tout l’enjeu des scientifiques actuellement est de trouver les bonnes conditions pour maintenir cet « effort » (donc cette énergie) afin de réaliser de la fusion nucléaire. Concrètement il s’agit de trouver une stabilité dans l’effort à fournir pour provoquer cette fusion et donc en récupérer l’énergie sortante continuellement, le tout en s’assurant que l’effort fournit reste moindre que le résultat obtenu (en terme d’énergie dépensée).

En effet, tout ce que nous parvenons à maîtriser actuellement c’est la non maîtrise de ces conditions !
Le parfait exemple est la bombe H qui réside en une fusion nucléaire tout simplement incontrôlée.

Bombe Atomique vs Bombe Hydrogène

La bombe A vs la bombe H

La bombe A signifie bombe atomique et bombe H signifie bombe à hydrogène.

Une bombe à hydrogène est 10.000x plus puissante qu’une bombe atomique étant donné qu’une Bombe H est composée d’une Bombe A.

Et oui ! La bombe A joue le rôle de déclencheur, d’activateur de la réaction en chaîne au sein de la bombe H… C’est dire…

Ce rôle d’activateur reprend exactement le principe de barrière énergétique: la bombe H nécessite de l’énergie pour être activée et pour produire beaucoup plus d’énergie.

Voyez plutôt le schéma ci-dessous décrivant les différences entre les deux bombes.

Différences Bombes A vs Bombes H.
Crédit: Atomic Heritage Foundation AHF.

NB: Les 2 bombes larguées respectivement sur Hiroshima et Nagasaki le 6 et 9 août 1945 par les américains à l’issue de la seconde guerre mondiale sont des bombes atomiques.

En espérant vous avoir aidé dans la compréhension des principes de fission et de fusion nucléaire !

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