Si la fission est contrôlée depuis longtemps pour la production d'électricité, ce n'est pas le cas de la fusion.
Cette réaction est difficile à réaliser car il faut rapprocher deux noyaux qui ont tendance naturellement à se repousser. Maîtriser sur Terre la fusion de noyaux légers, tels que le deutérium et le tritium, ouvrirait la voie à des ressources en énergie quasiment illimitées. Cet enjeu considérable a mené les communautés scientifiques nationales et internationales à lancer plusieurs projets d'envergure (cités ci-dessous).
Il existe différents procédés concevables permettant d’arriver à confiner le milieu de réaction pour produire des réactions de fusion nucléaire, notamment la fusion par confinement magnétique et la fusion par confinement inertiel. Aucun d’entre eux n’a encore abouti à des résultats industriels pour la production d’énergie électrique.
Dans ces configurations, les lignes de champ magnétique confinent efficacement les particules.
Divers moyens sont à la disposition des physiciens de la fusion pour chauffer le plasma de deutérium et de tritium.
Un premier moyen est constitué par un système permettant d’engendrer un intense courant électrique au sein du plasma. Dans la mesure où des électrodes pollueraient le plasma, les chercheurs induisent ce courant grâce à un champ magnétique variable, soit croissant, soit décroissant. Ainsi, le courant induit possède des limites.
Il est aussi possible de chauffer le plasma au moyen d’un faisceau d’atomes neutres. Ces derniers sont, dans un dispositif distinct, ionisés pour pouvoir être accélérés par un champ électrique. Par la suite et avant d’être injectés dans le plasma, ils sont neutralisés. Des atomes neutres sont nécessaire puisque des ions seraient déviées par le champ de confinement et ne seraient pas en mesure d’accéder au centre du plasma. Une fois au centre de ce dernier, les atomes neutres s’ionisent et, du fait de leur excédent d’énergie par rapport à l’énergie cinétique moyenne du tritium et du deutérium, cédent une partie de leur énergie cinétique au milieu de par des collisions. Ces atomes neutres ne sont autres que des atomes de tritium et de deutérium. Il assure donc aussi l’approvisionnement en combustible.
Dans cette voie, l'énergie est apportée par un faisceau de lumière laser ou bien par un faisceau de particules chargées (électrons ou ions) à une bille de combustible de quelques millimètres de diamètre. L'ionisation et le chauffage rapide de la paroi externe de la cible conduit à une expansion du plasma, à une vitesse égale à environ c/1000, (c désignant la vitesse de la lumière dans le vide, soit environ 3×108 m/s). Il s'en suit l'apparition d'une onde de choc centripète, qui va concentrer le combustible deutérium-tritium au centre de la cible, dans un diamètre environ 10 fois plus faible que le diamètre initial. On parle d'effet fusée pour qualifier cette convergence de la masse de la cible opposée à l'expansion du plasma périphérique (principe des actions réciproques de la troisième loi de Newton). Cette compression conduit à la fois à densifier le milieu combustible (~1000× ; soit : 10×10×10), pour donner une densité nulle part accessible sur Terre, à savoir 1026 cm-3, et une température de ~10 millions de degrés. Ces conditions conduisent à un nombre très important de réactions de fusion, pendant environ 10 picosecondes.
À la température à laquelle la fusion est susceptible de se produire, la matière est à l’état de plasma.
Il s’agit d’un état particulier de la matière première dans lequel les atomes ou les molécules forment un gaz ionisé.
Un ou plusieurs électrons du nuage électronique qui entoure chaque noyau ont été arrachés, laissant des ions chargés positivement et des électrons libres, l’ensemble étant électriquement neutre.
Dans un plasma thermique, la grande agitation des ions et des électrons produit de nombreuses collisions entre les particules. Pour que ces collisions soient suffisamment violentes et entrainent une fusion, trois grandeurs interviennent :
Le critère de Lawson établit que le facteur Nτ doit atteindre un certain seuil pour obtenir le breakeven où l’énergie libérée par la fusion est égale à l’énergie dépensée. L’ignition se produit ensuite à un stade beaucoup plus élevé de production d’énergie (impossible à créer dans les réacteurs actuels). Il s’agit du seuil à partir duquel la réaction est capable de s’auto-entretenir. Pour la réaction deutérium + tritium, ce seuil est de 1014 s/cm3.
L’énergie de liaison des constituants provient de la force d’interaction nucléaire forte, l’une des quatre forces d’interaction fondamentales de l’Univers.
Or l’investissement énergétique à fournir pour obtenir cette liaison est proportionnel au produit des charges électriques des deux noyaux en présence. C’est pourquoi le choix pour la fusion s’est porté sur le deutérium et le tritium, deux isotopes lourds de l’hydrogène, pour lesquels ce produit vaut 1.
L’énergie minimale à fournir pour obtenir une fusion est de 4 keV (équivalent à une température de 40 millions de kelvin) ; l’énergie libérée est alors de 17,6 MeV répartie pour 80 % dans le neutron émis et pour 20 % dans l’hélium 4 produit.
Mais l’énergie nécessaire pour atteindre le critère de Lawson et un rendement suffisamment positif se situe vers 10 keV soit 100 millions de degrés.
La réaction « deutérium + tritium » se traduit par une émission de neutrons rapides. Ces neutrons sont impossibles à confiner électromagnétiquement car ils ont une charge électrique nulle. Ils sont donc susceptibles d’être capturés par les noyaux d’atomes de la paroi de l’enceinte, qu’ils transmutent parfois en isotopes radioactifs (phénomène d’activation). L’activation peut s’accompagner de production de noyaux d’hélium, susceptibles de fragiliser les matériaux de structure. Elle pourrait compliquer l’usage industriel de la fusion, et fait l’objet d’études avec différentes propositions de solutions (par exemple parois en composites, ou encore alliages spécifiques de fer), mais elles nécessitent des études expérimentales difficiles à réaliser à court terme. Les réactions générant des neutrons ne sont donc pas totalement « propres », mais sont toutefois nettement moins génératrices de déchets que les réactions de fission nucléaire, et la durée de vie de ces déchets est bien inférieure à celle des produits radioactifs créés dans les centrales à fission nucléaire.
Si le deutérium est disponible naturellement en grandes quantités dans les océans, il nécessite la mise en place de méthodes très complexes pour en être extrait, le tritium doit être préparé artificiellement car il ne se trouve qu’en très petite quantité dans le milieu naturel de par sa nature d’isotope radioactif à courte durée de demi-vie (la moitié disparait en 12,3 ans).
Si la fusion a pu être utilisée dans le domaine militaire avec les bombes H, il n’existe pas encore d’application civile de la fusion pour la production d’électricité. Seuls des prototypes d’étude ont pu être construits actuellement.