On distingue deux grands types de réaction : la fission et la fusion.

Les atomes sont constitués d’un noyau entouré d’électrons.

Les noyaux atomiques sont des assemblages de particules appelées nucléons qui sont de deux types : les protons et les neutrons. Les deux ont presque la même masse par contre, un proton porte une charge électrique élémentaire positive, tandis qu’un neutron n’a pas de charge électrique.

Dans son état normal, un atome possède un nombre égal de protons et d’électrons, Comme un électron porte une charge électrique élémentaire négative, le noyau est donc électriquement neutre. Ce nombre, appelé numéro atomique (Z), caractérise un élément chimique : 1 = hydrogène, 2 = hélium, … , 92 = uranium. Par contre, pour un élément chimique donné, il peut y avoir plusieurs valeurs possibles du nombre de neutrons : on parle alors d’isotopes.

Le deutérium et le tritium sont des isotopes de l’hydrogène : ils ont un seul proton (numéro atomique de l’hydrogène) mais leur nombre de neutrons diffère. 1 neutron pour le deutérium et donc une masse atomique A =2, et 2 neutrons pour le tritium et donc avec A = 3.

Ils sont utilisés dans les expériences de fusion nucléaire (voir ci-dessous).

Malgré les répulsions qu’exercent les charges électriques de même signe, portées par les protons, les nucléons (voir ci-dessus) gardent leur cohésion grâce à une force dite nucléaire.

L’impact d’une particule sur un noyau génère des modifications des forces nucléaires et électriques, et donc des énergies de liaison associées. L’ensemble nucléaire peut se désorganiser et libérer de l’énergie.

L’intérêt de développer des techniques permettant de libérer cette énergie vient du fait que la quantité d’énergie produite par la réaction de fusion est plus de 3 millions de fois supérieure à celle générée lors des réactions chimiques comme celles en œuvre dans la combustion des énergies fossiles, ou, pour prendre une autre image, 1 gramme d’uranium produit la même quantité d’énergie que 3 tonnes de charbon.

Dans le cas de la fission, un noyau lourd et instable se scinde en deux ou en quelques nucléides plus légers. Cette réaction nucléaire s’accompagne de l’émission de neutrons. Les neutrons émis pourront enclencher la fission d’autres noyaux provoquant des réactions en chaîne, et donc un dégagement d’énergie considérable.

La radioactivité est le phénomène physique naturel par lequel des noyaux d’atomes instables (radioactifs) se désintègrent spontanément, produisant des particules (électrons, noyaux d’hélium, neutrons, etc.).

L’énergie émise lors de la fission provient du fait que l’énergie de liaison par nucléon (énergie/nombre de nucléons) du noyau initial est plus faible que celle des noyaux produits (nucléon : voir rubrique « Structure des atomes », ci-dessus). La plus grande partie de l’énergie se retrouve sous forme d’énergie cinétique des neutrons et des noyaux-fils. C’est cette énergie qui est récupérée sous forme de chaleur dans les réacteurs.

L’énergie libérée par la fission correspond à une partie de la masse initiale des noyaux qui se sont réorganisés lors de la désintégration.

Cette transformation de la masse en énergie répond à la formule énoncée par Albert Einstein E = mc².

Comparé aux énergies des réactions chimiques (combustion du pétrole, par exemple), le dégagement d’énergie d’une réaction nucléaire est considérable.

L’émission de particules matérielles et immatérielles est appelée rayonnement. L’énergie des particules émises entraînant l’ionisation de la matière traversée, le rayonnement est dit ionisant.

Classiquement, on distingue les :

• rayons α constitués de noyaux d’hélium ;
• rayons β constitués d’électrons ou de positons ;
• rayons γ constitués de photons ;
• neutrons qui dérivent des fissions spontanées.

C’est le même phénomène qui est à l’origine d’une partie de la chaleur de la croûte continentale terrestre ou au sein du soleil.

Dans les réacteurs actuels, c’est l’uranium qui est fissionné par collision avec un neutron, formant par exemple un atome de krypton et un second de baryum ou encore strontium et xénon.

Dans un réacteur nucléaire, les réactions sont contrôlées, par contre, dans une bombe nucléaire, les réactions sont rapides et explosives.

Une exposition aux rayonnements ionisants est une irradiation. Ses effets sur un organisme vivant dépendent de l’intensité et de la nature du rayonnement, ainsi que de la durée de l’exposition (ponctuelle ou chronique), et enfin, de la localisation de la source de la radioactivité par rapport à l’organisme. C’est-à-dire qu’il faut savoir si la localisation est interne ou externe et, dans ce dernier cas, quel est son éloignement ou sa proximité de l’organisme (en surface, par exemple).

La fusion nucléaire est une réaction au cours de laquelle deux noyaux atomiques s’assemblent pour former un noyau plus lourd. Par exemple, un noyau de deutérium et un noyau de tritium (voir ci-dessus) s’unissent pour former un noyau d’hélium (de masse inférieure à la somme de celles du deutérium et du tritium). Un neutron est également formé.

La fusion des noyaux légers dégage une quantité considérable d’énergie relative à la force nucléaire (voir ci-dessus), bien plus importante que la répulsion électrostatique entre les constituants des noyaux légers. Cette libération d’énergie se traduit par un défaut de masse, le noyau résultant a donc une masse moins élevée que la somme des masses des noyaux d’origine et il est plus stable.

Trois conditions doivent être remplies pour obtenir des réactions de fusion :

• une température très élevée (de l’ordre de 150 millions de degrés Celsius). À très haute température, les atomes d’un gaz se dissocient : les électrons et les noyaux sont séparés les uns des autres et le gaz se transforme en plasma (quatrième état de la matière) ;
• des pressions extrêmes et une densité de particules suffisante qui induisent un grand nombre de collisions ;
• un temps de confinement de l’énergie suffisamment long pour que les collisions se produisent avec la plus grande vitesse possible.

Ces conditions sont réunies :

• au sein des étoiles ;
• lors de l’explosion d’une bombe à fission nucléaire qui amorce ainsi l’explosion thermonucléaire (bombe H) ;
• dans des réacteurs nucléaires expérimentaux.

À très hautes températures, les particules sont très agitées et possèdent une grande énergie cinétique. À un niveau élevé d’agitation, les électrons ne peuvent plus graviter autour des atomes et ceux-ci sont ionisés et il ne subsiste que des noyaux, tous positifs. La force électromagnétique les repoussant, ils ne s’entrechoquent pas malgré leur agitation.

Si la température augmente encore, les noyaux gagnent de la vitesse et lors des chocs, ils se rapprochent de plus en plus, jusqu’à entrer en contact. La force nucléaire forte étant des milliers de fois plus puissante que la force électromagnétique, les noyaux se lient entre eux et forment de nouveaux atomes.

La masse du noyau formé est légèrement inférieure à la somme des masses des deux protons du début de la réaction. La réaction nucléaire de fusion s’accompagne donc d’une perte de masse qui correspond à une libération d’énergie.

De toutes les réactions de fusion possibles, c’est la réaction entre le deutérium et le tritium (deux isotopes de l’hydrogène) qui se révèle la plus accessible en l’état actuel de notre technologie.

Ces deux isotopes sont disponibles en quantités pratiquement illimitées dans l’eau de mer. De plus, le tritium peut être produit à partir du lithium qui est relativement abondant dans l’écorce terrestre.

Obtenir les gigantesques températures nécessaires à la réalisation du plasma constitue la difficulté technologique qui doit être surmontée pour une exploitation industrielle. La technique est encore en développement expérimental et on ne peut compter sur elle pour atteindre l’objectif urgent de décarbonation.

Les recherches en cours visent à d’obtenir un plasma sur une durée suffisante, afin que l’énergie de fusion produite soit supérieure à celle investie dans le chauffage des particules. C’est le cas du projet international ITER (voir cette entrée).

L’assemblage de ce réacteur a débuté en 2020 et les premiers essais de production du premier plasma devraient avoir lieu en 2025 et la création du premier plasma de deutérium-tritium est prévue pour 2035.

Les principaux avantages sont les suivants :

• abondance de la ressource : les deux isotopes de l’hydrogène (deutérium et le tritium) sont disponibles en quantités pratiquement illimitées dans l’eau de mer. De plus, le tritium peut être produit à partir du lithium qui est relativement abondant dans l’écorce terrestre ;
• pollution : la fusion génère peu de déchets radioactifs (de plus, de courte durée de vie), et pas de gaz à effet de serre ;
• explosivité : il n’y a pas de risque d’emballement de la réaction nucléaire et donc d’explosion. En effet, contrairement aux réacteurs à fission nucléaire, la moindre perturbation au sein d’un réacteur à fusion entrainerait un refroidissement puis un arrêt des réactions de fusion.

Beaucoup de questions sont à développer, mais dans un premier temps, il est intéressant de s’attaquer à la distinction entre réaction nucléaire et réaction chimique.

• réaction nucléaire : processus au cours duquel un ou plusieurs noyaux atomiques sont transformés pour donner des noyaux de masse et/ou de charge différentes ;
• réaction chimique : elle ne concerne que les électrons ou bien les liaisons entre les atomes.