Longtemps reléguée au rang de promesse scientifique différée, la fusion nucléaire s’impose désormais comme un objet stratégique à part entière. Les percées expérimentales récentes — l’ignition obtenue au National Ignition Facility (NIF) en décembre 2022[1], les records de confinement du tokamak chinois EAST[2] — ont déplacé le débat il ne s’agit plus seulement de savoir si la fusion est physiquement réalisable, mais qui en maîtrisera la trajectoire industrielle et selon quel calendrier.

La fusion nucléaire est l’un des phénomènes les plus fascinants de la physique moderne. Contrairement à la fission nucléaire, qui consiste à casser des noyaux atomiques lourds comme l’uranium, la fusion repose sur l’union de deux noyaux légers pour former un noyau plus lourd. Les réactions de fusion se produisent dans un état de la matière appelé plasma, gaz chargé à température très élevée, constitué d’ions positifs et d’électrons libres, et aux propriétés distinctes de celles des solides, des liquides et des gaz.

C’est la fusion qui alimente le Soleil et toutes les étoiles depuis des milliards d’années. Au cœur de ces astres, les températures atteignent plusieurs millions de degrés, permettant aux noyaux d’hydrogène de vaincre leur répulsion électrique et de fusionner pour produire de l’hélium. L’énergie ainsi dégagée est ensuite rayonnée sous forme de lumière et de chaleur.

La fusion nucléaire (ou thermonucléaire) est donc une réaction nucléaire dans laquelle deux noyaux atomiques s’assemblent pour former un noyau plus lourd. Cette réaction est à l’œuvre de manière naturelle dans le Soleil et la plupart des étoiles de l’Univers, dans lesquelles sont créés tous les éléments chimiques autres que l’hydrogène et la majeure partie de l’hélium. Elle est, avec la fission nucléaire, l’un des deux principaux types de réactions nucléaires appliquées.

La fusion nucléaire dégage une quantité d’énergie colossale par unité de masse, provenant de l’attraction entre les nucléons due à l’interaction forte (énergie de liaison nucléaire). La masse du ou des produits d’une réaction de fusion étant inférieure à la somme des masses des noyaux fusionnés, la différence est transformée en énergie cinétique (puis en chaleur) selon la formule d’Einstein E = mc2.

La fusion nucléaire est utilisée dans les bombes H et, de façon plus anecdotique, dans les générateurs de neutrons. Elle pourrait être utilisée pour la production d’électricité, pour laquelle elle présente plusieurs intérêts majeurs :

• la disponibilité de son « combustible » :
• le deutérium, présent à l’état naturel en quantités importantes dans les océans,
• le tritium (pour la réaction de fusion « deutérium + tritium »), qui peut être produit par bombardement neutronique du lithium 6. Les réserves mondiales en minerai de lithium suffiraient théoriquement à garantir plus d’un million d’années de fonctionnement ;
• son caractère essentiellement « propre » de la réaction de fusion : les produits de la fusion eux-mêmes (principalement de l’hélium 4) ne sont pas radioactifs. Les déchets radioactifs se limitent aux matériaux environnants (les plaques de l’enveloppe protectrice interne du Tokamak, qui, exposée aux neutrons rapides, en les capturant deviennent radioactifs.

En dépit de travaux de recherche réalisés dans le monde entier depuis les années 1950, aucune application industrielle de la fusion à la production d’énergie n’a encore abouti. Les ingénieurs se heurtent à la difficulté de créer et de maintenir une température de plusieurs millions de degrés dans un espace confiné.

Sur Terre, reproduire ce phénomène représente un défi scientifique et technologique majeur. Pour obtenir la fusion, il faut créer un plasma porté à des températures supérieures à 100 millions de degrés Celsius et le maintenir suffisamment longtemps grâce à des dispositifs de confinement magnétique, comme les tokamaks, ou par confinement inertiel à l’aide de lasers extrêmement puissants.

La fusion nucléaire présente plusieurs avantages potentiels. Elle utilise des combustibles abondants, notamment le deutérium extrait de l’eau de mer, et pourrait produire de grandes quantités d’électricité avec des émissions très faibles de dioxyde de carbone pendant son fonctionnement. De plus, le risque de réaction en chaîne incontrôlée est beaucoup plus faible que dans les réacteurs à fission.

Cependant, de nombreux défis restent à relever. Les scientifiques doivent encore améliorer la stabilité du plasma, développer des matériaux capables de résister aux conditions extrêmes à l’intérieur des réacteurs et démontrer que la production d’électricité par fusion peut être économiquement viable à grande échelle.

Des projets internationaux de grande envergure travaillent à ces objectifs. S’ils aboutissent, la fusion nucléaire pourrait devenir, au cours des prochaines décennies, une source d’énergie complémentaire aux énergies renouvelables et contribuer à répondre à la demande mondiale en électricité tout en limitant les émissions de gaz à effet de serre. La fusion nucléaire demeure ainsi l’un des plus grands espoirs de la recherche énergétique. Bien qu’elle ne soit pas encore exploitée commercialement, les progrès réalisés ces dernières années montrent que cette technologie, longtemps considérée comme un rêve scientifique, se rapproche progressivement de la réalité.

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[1] Lawrence Livermore National Laboratory, annonce de l’ignition par fusion, décembre 2022. Les détails de l’expérience historique menée le 5 décembre 2022 par le Laboratoire national Lawrence Livermore (LLNL), qui a permis pour la première fois d’obtenir un allumage de fusion en laboratoire, sont présentés dans l’article à la une du numéro du 5 février 2024 de la revue Physical Review Letters (PRL).

[2] Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences — records de durée de plasma en mode H sur le tokamak EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak.) En décembre 2021 , EAST a battu le record mondial avec 70 millions de degrés °C pendant plus de 17 minutes (1 056 secondes). Le 28 avril 2023 , EAST est le premier à maintenir avec succès un plasma en mode H pendant 403 secondes.

Le 12 février 2025, la France a battu le record mondial de fusion nucléaire. Dans une avancée majeure pour la quête d’énergie propre, un réacteur français a maintenu un plasma d’hydrogène à 50 millions °C pendant plus de 22 minutes, pulvérisant le record établi quelques semaines plus tôt par l’EAST chinois. Le succès de WEST est une étape essentielle vers ITER, le plus ambitieux projet de fusion nucléaire au monde.

WEST (acronyme de l’anglais W Environment in Steady-state Tokamak), auparavant nommé Tore Supra, est un tokamak français situé au centre de recherche nucléaire de Cadarache, dans les Bouches-du-Rhône, l’un des sites du Commissariat à l’énergie atomique et qui fait partie du projet de réacteur nucléaire de recherche civil à fusion nucléaire ITER. Tore Supra a fonctionné entre 1988 et 2010. WEST fonctionne depuis 2016. C’est un des seuls tokamaks français en activité après l’arrêt du TFR (tokamak de Fontenay-aux-Roses) et de Petula (à Grenoble).