Physique nucléaire : tout comprendre de la fission à la fusion

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Physique nucléaire : de la fission à la fusion

Depuis que la science a découvert la puissance de l’atome, deux voies s’offrent à nous pour produire de l’énergie à partir de réactions atomiques. L’une est maîtrisée : c’est la fission du noyau de l'atome. Son principe : briser les liaisons de noyaux atomiques. C'est celle qui est pratiquée dans les centrales nucléaires actuellement.

L’autre technique, baptisée fusion nucléaire inertielle, représente le processus strictement inverse. Il s'agit de faire fusionner deux atomes. Cette seconde voie constitue l'horizon actuel du nucléaire civil... à condition de réussir à la transformer en une filière électrogène. Mais, en dépit d’un vaste projet de coopération internationale qui travaille à sa mise au point et des déclarations d'une équipe de chercheurs américains en 2022, elle relève encore d'une sorte de Graal. Pourquoi ? Parce que la maîtrise de la fusion nucléaire serait synonyme de notre capacité à produire une énergie quasi inépuisable, propre, sans déchets toxiques. Une sélection de neuf émissions pour retracer l'histoire des recherches sur l'atome et faire le tour des avancées scientifiques les plus récentes en la matière.

À l'origine était l'atome…

• Avant de s’imposer aux physiciens et aux chimistes au début du XXe siècle, l'idée d'atome avait germé, plusieurs centaines d’années avant J.-C., dans l’esprit de quelques penseurs de l’Antiquité. Ces premiers "atomistes" rêvèrent que les éléments premiers de leur philosophie – les atomes donc - étaient indestructibles, éternels, compacts, et ils les imaginèrent s’agitant sans cesse dans le vide. Mais disqualifiée par Aristote notamment, l'idée d'atome dut attendre le XIXe siècle pour réapparaître. ( Le Pourquoi du comment Sciences, 4 min)

• Si nous savons tous aujourd’hui que la matière est faite d’atomes, au début du XXe siècle, l’atome n’avait pas été détecté, encore moins observé. Il n'était alors qu'un objet de polémique : les physiciens se répartissaient en deux camps : ceux qui "croyaient" à son existence - parmi lesquels Albert Einstein - et les autres. Jusqu’à ce jour de 1906 où l’existence de l’atome fut démontrée expérimentalement grâce aux expériences menées sur le mouvement brownien, à Paris, par Jean Perrin. ( Le Pourquoi du comment Sciences, 4 min)

La découverte de la fission nucléaire

• E = mc² est-elle à l'origine de la découverte de la fission nucléaire ? Oui et non ! Grâce à la célèbre formule d'Einstein, tout corps massif se voit doté d’une "énergie de masse", calculée en multipliant la masse par le carré de la vitesse de la lumière. Dans cette opération, la vitesse de la lumière change de statut. Elle se voit attribuer un rôle plus large que celui d’une vitesse associée à des déplacements. Si E = mc² s’applique à tous les phénomènes dans lesquels de l’énergie est échangée ou transformée, elle ne suggère en rien le processus par lequel l’énergie contenue dans un morceau de matière, quel qu’il soit, pourrait être libérée. Encore moins l’énergie contenue dans un atome… puisque l’existence de l’atome - a fortiori celle de son noyau - n’était alors nullement avérée ! ( Le Pourquoi du comment Sciences, 4 min)

• La fission nucléaire, une affaire de femmes ? Elles furent des pionnières. Les premières, la chimiste allemande Ida Noddack-Tacke (1896-1978) et sa collègue autrichienne Lise Meitner (1878-1968) ont compris dans les années 30 que les noyaux d’uranium avaient la propriété de fissionner. ( Le Pourquoi du comment Sciences, 2 x 4 min)

La fission nucléaire, une technologie au service d'usages civils et militaires

• La France est l’un des pays les plus nucléarisés au monde. 18 centrales et 56 réacteurs sont actuellement exploités pour 66 millions de Français. Ils produisent près de 70% de l’électricité totale de l’Hexagone. Construites en série dans les années 70 et 80, ces centrales, conçues pour fonctionner 40 ans, vieillissent. Cette émission analyse la sûreté du parc nucléaire français. ( La Science CQFD, 58 min)

• Comment la France est-elle devenue l'un des pays les plus nucléarisés du monde ? Pour comprendre ce fait, il faut remonter à 1945, et à la création par le général de Gaulle du Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA). Devenue une puissance nucléaire, la France procède entre 1960 et 1996 à des essais atomiques dans le désert du Sahara puis dans les îles de Polynésie française. Mais cette montée en puissance du nucléaire se heurte aux débuts d'un désaveu… émanant des physiciens eux-mêmes. Les époux Joliot-Curie lancent dès 1950 l'appel de Stockholm visant à l'interdiction de la bombe atomique. Ce documentaire retrace cette histoire, mais aussi celle de la naissance de la contestation contre le nucléaire militaire, et aussi civil. ( LSD, la Série documentaire, 55 min)

La découverte de la fusion nucléaire

Aujourd'hui, dans les centrales nucléaires, la technique utilisée est celle de la fission. Son principe : briser les liaisons de noyaux atomiques pour produire de l'énergie. La fusion nucléaire repose sur le principe exactement inverse. Elle consisterait à reproduire sur Terre, c'est-à-dire dans un environnement confiné, les mécanismes thermonucléaires de nucléosynthèse propres aux étoiles. Un processus dans lequel on fait fusionner deux atomes. Mais pourquoi les physiciens rêvent-ils depuis des décennies de maîtriser ce procédé ? Parce que la fusion permettrait de produire quatre à dix fois plus d'énergie que la fission.

• Depuis les années 1950, les physiciens cherchent à reproduire en laboratoire la fusion nucléaire – ce procédé qui se produit au cœur des étoiles, ou au cœur de notre soleil par exemple. Maîtriser les conditions favorables à la libération de l’énergie de fusion permettrait — en théorie — de bénéficier d’une énergie quasi infinie, et propre. Une aubaine face à l’impératif de sortie des énergies fossiles, dans un contexte marqué par le phénomène du réchauffement climatique. Le 13 décembre 2022, le gouvernement américain a annoncé une avancée majeure dans ce domaine. Cette émission fait le point sur ces travaux. Et sur une réalité : si les avancées scientifiques sont réelles, l'horizon d'une mise en production reste lui encore lointain. ( La Science CQFD, 59 min)

• Produire une énergie abondante et pérenne sans émissions de CO2 et sans déchets toxiques ? Telles sont les promesses de la fusion nucléaire. Cette émission revient sur le vaste projet de recherche scientifique international lancé autour de ce Graal énergétique et sur les obstacles qui restent à surmonter pour l'atteindre. ( La Méthode scientifique, 58 min)