Fission contre fusion : la chimie de l'énergie nucléaire

En décembre 1938, deux chimistes allemands, Otto Hahn et Fritz Strassmann, firent quelque chose qui n'avait aucun sens. Ils bombardaient de l'uranium avec des neutrons, s'attendant à le pousser vers des éléments légèrement plus lourds. Au lieu de cela, leur analyse chimique minutieuse révélait constamment du baryum, un élément dont la masse représente un peu plus de la moitié de celle de l'uranium. C'était comme si vous aviez tapoté une boule de bowling et l'aviez vue se scinder en deux balles de tennis. Hahn écrivit à son ancienne collègue Lise Meitner, alors réfugiée en Suède, pour lui demander comment cela pouvait être possible. Meitner, qui réfléchissait au problème lors d'une promenade hivernale avec son neveu Otto Frisch, comprit que le noyau d'uranium avait en réalité été brisé en deux.

Frisch emprunta un mot à la biologie, où une seule cellule se divise en deux : la fission. Avec cette seule observation, la chimie du tableau périodique entra en collision avec la physique du noyau atomique, et le monde moderne des réacteurs, des bombes et du long rêve d'une énergie de fusion propre se mit en marche. Pour tout comprendre, il vous suffit d'une idée étrange et magnifique : la masse d'un atome n'est pas tout à fait la somme de ses parties.

La masse qui disparaît

Chaque noyau atomique est un amas de protons et de neutrons, maintenus ensemble contre la féroce répulsion électrique de tous ces protons positifs par ce que l'on appelle la force nucléaire forte. Les maintenir ensemble coûte de l'énergie, ou plutôt en libère. Voici le point contre-intuitif : un noyau lié pèse légèrement moins que ne pèseraient les protons et les neutrons qui le composent s'ils étaient isolés. Cette masse manquante est le fameux « défaut de masse ».

L'équation d'Albert Einstein, E = mc au carré, nous dit ce qu'il est advenu de cette masse. La masse et l'énergie sont deux monnaies pour une même chose, et le taux de change, c au carré, est énorme parce que la vitesse de la lumière est si grande. De minuscules quantités de masse disparue deviennent d'immenses quantités d'énergie. L'énergie enfermée dans cet échange est l'énergie de liaison, la colle qui maintient le noyau ensemble. Lorsque vous réorganisez des noyaux de manière à leur permettre de perdre ne serait-ce qu'un peu plus de masse, cet excédent d'énergie se déverse.

C'est le cœur de toute l'énergie nucléaire, et c'est aussi pourquoi les réactions nucléaires libèrent des millions de fois plus d'énergie par atome que les réactions chimiques comme la combustion du charbon. Les réactions chimiques brassent les électrons dans la lointaine banlieue de l'atome ; les réactions nucléaires réorganisent le noyau dense et riche en énergie qui se trouve en son centre.

La courbe qui explique tout

Si vous tracez l'énergie de liaison par particule en fonction de la taille du noyau, vous obtenez l'un des graphiques les plus importants de toute la science. Elle monte abruptement pour les éléments les plus légers, culmine autour du fer et du nickel (environ l'élément 26), puis décline doucement vers les éléments les plus lourds comme l'uranium.

Le sommet est la clé. Le fer 56 se situe près du point le plus stable, le fond d'une vallée énergétique dans laquelle chaque noyau « aimerait » rouler. Cette unique courbe explique les deux façons d'extraire l'énergie nucléaire.

Descendre la pente du côté lourd : divisez un noyau très lourd comme l'uranium en deux morceaux de taille moyenne, et les fragments sont plus proches du pic du fer, plus solidement liés, plus légers au total. La masse perdue devient de l'énergie. C'est la fission.

Descendre la pente du côté léger : fusionnez deux noyaux très légers comme l'hydrogène en un noyau plus lourd, plus proche du pic, et là encore le produit est plus solidement lié, et là encore la masse se convertit en énergie. C'est la fusion.

Les deux processus grimpent vers le même sommet depuis des pentes opposées. Tout ce qui se trouve au-delà du fer n'a plus aucune énergie à donner par l'une ou l'autre voie, ce qui explique pourquoi le fer est, dans un sens bien réel, une cendre nucléaire.

La fission : scinder les poids lourds

La fission est le tour le plus facile à réaliser, c'est pourquoi elle est venue en premier. Certains isotopes lourds, avant tout l'uranium 235 et le plutonium 239, sont « fissiles ». Lorsqu'un neutron lent frappe un noyau d'uranium 235, le noyau devient brièvement instable, vacille comme une goutte d'eau étirée, et se scinde en deux noyaux plus légers (comme le baryum et le krypton), avec une bouffée d'énergie et, surtout, deux ou trois neutrons supplémentaires.

Ces neutrons supplémentaires font toute la différence. Chacun d'eux peut frapper un autre noyau d'uranium et déclencher une nouvelle scission, qui libère davantage de neutrons, et ainsi de suite. C'est la réaction en chaîne, et le fait qu'elle se déroule en douceur ou avec violence est toute la différence entre une centrale électrique et une bombe.

L'uranium naturel est composé à plus de 99 pour cent d'uranium 238, qui n'entretient pas bien une réaction en chaîne, et de moins de 1 pour cent d'uranium 235 fissile. Pour l'utiliser, les ingénieurs « enrichissent » l'uranium, augmentant la fraction d'uranium 235. Le combustible de réacteur est généralement enrichi à environ 3 à 5 pour cent d'uranium 235, ce qui suffit à une combustion lente et contrôlée. La teneur en matière fissile nécessaire à une arme est bien plus élevée, ce qui est l'une des raisons pour lesquelles l'enrichissement est si étroitement surveillé à l'échelle internationale.

Bombes contre centrales électriques

Une bombe à fission et un réacteur à fission partagent la même physique mais ont des objectifs opposés. Une bombe veut que la réaction en chaîne s'emballe aussi vite que possible ; un réacteur veut la maintenir sur le fil du rasoir, libérant une chaleur constante sans jamais accélérer hors de contrôle.

La bombe : une arme assemble une « masse critique » d'uranium 235 ou de plutonium 239 hautement enrichi de manière si soudaine et si compacte que la réaction en chaîne se multiplie astronomiquement en une fraction de seconde, avant que le matériau ne puisse se disloquer. La bombe larguée sur Hiroshima en août 1945 utilisait de l'uranium 235 ; celle larguée sur Nagasaki trois jours plus tard utilisait du plutonium 239. Ce sont les deux seules armes nucléaires jamais employées en temps de guerre, et l'ampleur de la catastrophe humaine qu'elles ont provoquée, des dizaines de milliers de personnes tuées sur le coup et bien d'autres mourant ensuite de leurs blessures et des radiations, est précisément la raison pour laquelle cette technologie a été traitée avec un tel sérieux depuis lors.

La centrale électrique : un réacteur utilise un combustible faiblement enrichi qui ne peut physiquement pas exploser comme une bombe. Deux dispositifs de sécurité le maintiennent docile. Les barres de contrôle, faites de matériaux absorbant les neutrons comme le bore ou le cadmium, glissent dans le cœur pour absorber les neutrons en excès et ralentir la réaction. Un modérateur, généralement de l'eau ordinaire, ralentit les neutrons rapides jusqu'aux vitesses douces que l'uranium 235 absorbe le plus facilement. La chaleur transforme l'eau en vapeur, la vapeur fait tourner une turbine, et la turbine entraîne un générateur. Retirez le cœur exotique, et une centrale nucléaire n'est qu'une façon très sophistiquée de faire bouillir de l'eau.

Le grand inconvénient de la fission est ses déchets. Les fragments issus de la scission sont eux-mêmes radioactifs, certains dangereusement ainsi pendant des milliers d'années, ce qui explique pourquoi le stockage à long terme demeure un défi réel et encore largement non résolu.

La fusion : la puissance des étoiles

La fusion parcourt la courbe dans l'autre sens, et la nature le fait à une échelle colossale depuis des milliards d'années. Le Soleil est un réacteur à fusion. Dans son cœur, les noyaux d'hydrogène fusionnent étape par étape pour former de l'hélium, et la masse perdue au cours du processus est ce qui fait briller le Soleil. La chaleur de notre planète, son climat et presque toute sa vie sont en fin de compte alimentés par une fusion qui se produit à 150 millions de kilomètres de distance.

L'attrait de la fusion est évident. Le combustible, des isotopes d'hydrogène, peut être tiré de l'eau et est pratiquement illimité. Elle ne produit pas de déchets radioactifs à longue durée de vie comme le fait la fission, et elle ne peut ni entrer en fusion incontrôlée ni s'emballer, car la réaction s'arrête à l'instant même où les conditions cessent d'être réunies. Par unité de combustible, la fusion libère encore plus d'énergie que la fission.

Alors pourquoi ne fonctionnons-nous pas déjà grâce à elle ? Parce que faire fusionner des noyaux est terriblement difficile. Chaque noyau porte une charge positive, et les charges de même signe se repoussent. Pour forcer deux noyaux d'hydrogène à se rapprocher suffisamment pour que la force forte puisse les saisir, vous devez surmonter ce mur électrique, ce qui signifie chauffer le combustible à environ 100 millions de degrés, bien plus chaud que le centre du Soleil. (Le Soleil s'en tire avec un cœur plus froid parce que sa gravité écrasante et sa taille immense compensent la différence.) À ces températures, la matière devient un plasma, un gaz chargé qu'aucun contenant solide ne peut toucher. Les scientifiques utilisent de puissants champs magnétiques, dans des machines en forme de beignet appelées tokamaks, pour maintenir le plasma en suspension dans une sorte de bouteille magnétique.

Le rêve de la fusion, et pourquoi il ne cesse de reculer

Le défi déterminant de la fusion est l'allumage : obtenir de la réaction plus d'énergie que vous n'en injectez pour la maintenir chaude et confinée. Pendant des décennies, cela est resté hors de portée, ce qui a nourri la vieille blague selon laquelle la fusion pratique est toujours à trente ans de distance.

Le tableau a véritablement changé ces dernières années. Fin 2022, des chercheurs du National Ignition Facility en Californie, utilisant un ensemble de lasers de haute puissance plutôt que des aimants, ont rapporté la première réaction de fusion contrôlée ayant libéré plus d'énergie que l'énergie laser délivrée à la pastille de combustible. Ce fut un jalon, et ce fut réel. Mais il est important d'être honnête sur ce que cela signifie et ne signifie pas. Cet exploit ne comptabilisait que l'énergie ayant atteint le combustible, et non l'énergie bien plus considérable que les lasers ont consommée au total, et il s'agissait d'une seule brève impulsion, et non d'une réaction soutenue et autonome alimentant un réseau électrique.

Pendant ce temps, le projet international ITER, dans le sud de la France, un tokamak construit par une coalition de dizaines de pays, vise à démontrer une fusion magnétique soutenue et à grande échelle. C'est l'une des entreprises d'ingénierie les plus ambitieuses jamais tentées, et elle est encore à plusieurs années de son achèvement. Transformer tout cela en réacteurs alimentant de manière fiable les foyers en électricité devrait, selon l'opinion générale, prendre encore des décennies. La physique ne fait plus de doute ; l'ingénierie demeure véritablement redoutable.

Points clés à retenir

L'énergie nucléaire, dans ses deux formes, se résume à une seule idée élégante empruntée à Einstein : réorganisez un noyau de sorte qu'il perde une infime parcelle de masse, et cette masse réapparaît sous la forme d'une énorme bouffée d'énergie. La courbe d'énergie de liaison, culminant au fer, montre les deux chemins vers ce sommet. La fission descend depuis le côté lourd, scindant l'uranium ou le plutonium dans une réaction en chaîne que nous maîtrisons déjà, en douceur dans des centrales qui ne font que faire bouillir de l'eau, et de façon catastrophique dans les armes dont l'usage au-dessus d'Hiroshima et de Nagasaki définit encore notre perception de la gravité de cette technologie. La fusion monte depuis le côté léger, le processus même qui illumine le Soleil, offrant un combustible propre presque illimité mais exigeant des températures et un confinement si extrêmes que nous ne faisons qu'à peine, aujourd'hui, en arracher les premières lueurs d'énergie nette en laboratoire. L'un des processus est le cheval de trait d'aujourd'hui ; l'autre demeure le rêve de demain, désormais non plus impossible, mais toujours, pour l'instant, juste par-delà l'horizon.