vignette|Le Soleil est une étoile de la séquence principale, dont l'énergie provient de la fusion nucléaire de noyaux d'hydrogène en hélium. En son cœur, le Soleil fusionne de tonnes d'hydrogène chaque seconde.
La fusion nucléaire (ou thermonucléaire) est 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 (voir 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 .
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 deux 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 . 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’) 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 , 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.
La fusion nucléaire n'a rien à voir avec la fusion du cœur d'un réacteur nucléaire, qui est un accident nucléaire au cours duquel le combustible nucléaire se liquéfie du fait des températures atteintesCette confusion semble avoir été faite par de nombreux journalistes les premiers jours de l'accident de la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi, ainsi que par Michèle Rivasi, experte auprès d'Europe Écologie Les Verts pour les questions de radioactivité (sur le , pendant l'émission Europe matin)..
Histoire La découverte des réactions de fusion date du début du . Après quelques expériences, l'astrophysicien Arthur Eddington suggère en 1920 que l'énergie des étoiles est due à la fusion de noyaux d'hydrogène en hélium.
En 1934, Ernest Rutherford réalise la première réaction de fusion en laboratoire (entre atomes de deutérium).
En 1938, les travaux de Hans Bethe et Carl Friedrich von Weizsäcker aboutissent à la formule de Weizsäcker, qui donne une valeur approximative de l'énergie de liaison entre les nucléons dans le noyau atomique. À partir de cette formule, ils imaginent les réactions qui se produisent à l'intérieur des étoiles. En 1950, George Gamow étudie celles qui ont pu avoir lieu juste après le Big Bang. Il analyse notamment l'effet tunnel quantique comme permettant d'expliquer la fréquence des réactions de fusions de nucléons se produisant dans les étoiles..
Dans les années 1940, ces études montrent que les éléments produits dans une réaction de fusion sont beaucoup moins nombreux et ont une période radioactive nettement plus courte que les déchets générés par la fission nucléaire, sans compter que les ressources naturelles permettant la fusion sont disponibles en quantités gigantesques. La fusion créée dans les étoiles grâce à la très forte gravité est alors envisagée sur Terre à l'aide de champs magnétiques, procédé appelé fusion magnétique.
En 1946, les physiciens britanniques George Paget Thomson et Moses Blackman déposent le premier brevet de réacteur à fusion nucléaire. Ils proposent une chambre à vide de forme torique pour confiner un plasma. Inventé au début des par les physiciens soviétiques Igor Tamm et Andreï Sakharov sur une idée originale du physicien Oleg Lavrentiev, l’acronyme tokamak vient du russe et se traduit par « chambre toroïdale avec bobines magnétiques ».
Du fait de la guerre froide, plusieurs pays lancent leurs recherches isolément et dans le plus grand secret (États-Unis, URSS, Angleterre, France, Allemagne et Japon).
En , les Anglais annoncent avoir obtenu des neutrons issus de réactions de fusion : les vérifications montrent que ces neutrons viennent en fait de l'instabilité du plasma. Cet échec provoque la mutualisation des recherches au niveau mondial, annoncée en septembre de la même année à Genève, pendant le congrès du programme Atoms for Peace (« Atomes pour la paix »).
En 1968, deux tokamaks russes, T3 et TM3, permettent à un plasma de dépasser la température de dix millions de degrés Celsius pendant . Cette voie de recherche est dès lors considérée comme la plus prometteuse..
La perspective d'une source d'énergie quasiment inépuisable attise les convoitises alors que le premier choc pétrolier et la prospective démographique démontrent la précarité des ressources eu égard aux besoins énergétiques croissants.. Les années 1970-1980 sont le théâtre d'une course effrénée à la recherche expérimentale. et des sommes considérables sont dépensées sans que l'objectif d'obtenir un bilan énergétique positif soit atteint. ; les États-Unis dépensent jusqu'à de dollars par an dans ce cadre. La plupart des crédits sont destinés au développement de tokamaks de plus en plus puissants. D'autres domaines de recherche sont explorés. Le confinement inertiel par laser de plasma est expérimenté avec des lasers de puissance, le confinement radial par solénoïde est envisagé (, FRC), des expérimentations de faible puissance de confinement par auto-organisation du plasma en raison de ses propriétés magnétohydrodynamiques dans un volume sphérique ou sphéromak. sont réalisées.
Dans les années 1990, l'avenir du tokamak traditionnel s'assombrit en raison de la prise de conscience de ses limites portant sur la performance. Celle-ci est exprimée par le rapport β (bêta) du plasma, défini comme le rapport de la pression du plasma à la pression magnétique. À l’époque, le confinement magnétique est considéré comme la seule voie permettant d’atteindre les températures nécessaires à l’obtention de réactions de fusion autorisant un bilan énergétique positif. Il est unanimement convenu que ce facteur ne peut pas dépasser 5 %., ce qui implique de dépenser beaucoup d’énergie dans la réalisation d’aimants de plus en plus puissants. Les crédits de recherche se tarissent. Le projet ITER voit son budget de construction décupler et les retards se multiplier. En 1997, le premier tokamak sphérique « moderne », le ., établit un nouveau record, portant le β toroïdal à 38 %. En Allemagne, une autre voie de recherche, variation autour du tokamak, est suivie par la construction d'un stellarator., le Wendelstein 7-X.., projet datant de 1994 mais finalement livré en 2015.
Le projet ITER décolle enfin et la construction est lancée en 2011. Les premiers plasmas sont prévus pour 2025.. L'on pense déjà à l'après-ITER, que préfigurent de nouveaux designs de dispositif plus compacts et plus puissants. Plusieurs designs de tokamak sphérique de démonstration () sont proposés et les entreprises privées se lancent dans la course...
Le , la Chine met en marche le plus performant de ses tokamaks, HL-2M. Situé dans la province du Sichuan, il s'inscrit dans le programme ITER..
Le , l'installation de fusion nucléaire à confinement inertiel par laser de la National Ignition Facility du laboratoire Lawrence Livermore (LLNL) a réalisé une fusion qui, pour la première fois, a produit plus d’énergie qu’elle n’en a consommée..
En mai 2026, Focused Energy lève 240 millions de dollars auprès de RWE, de l'Agence fédérale allemande pour l'innovation disruptive Sprind et d'investisseurs d'Europe, d'Asie et de la région du Golfe, pour amorcer la construction d'une centrale à fusion laser sur le site de l'ancienne centrale nucléaire RWE de Biblis, près d'Essen. Le gouvernement allemand de Friedrich Merz compte débloquer jusqu'à 2,5 milliards d'euros d'ici à 2029, pour accélérer les recherches et développer un écosystème dans le domaine de la fusion. L'Allemagne compte quatre start-ups : Proxima Fusion, Gauss Fusion, Focused Energy et Marvel Fusion. Le ministère allemand de la Recherche estime que la phase d'exploitation devrait débuter dans les années 2040. Focused Energy entend bâtir sa première centrale d'ici à 2035Emmanuel Grasland, Fusion nucléaire : le pionnier allemand Focused Energy lève 240 millions de dollars, Les Échos, 27 mai 2026..
Mécanisme de la fusion Principe vignette| Énergie de liaison par nucléon des isotopes les plus courants, en fonction du nombre de masse. La masse d'un noyau atomique est inférieure à la somme des masses des nucléons qui le composent. Ce défaut de masse est assimilable à une énergie de liaison selon l'équivalence masse-énergie ; il est nul pour le protium (H, soit un proton seul), croît avec le nombre de masse (le nombre de nucléons) jusqu'au (Fe), puis décroît lentement (voir figure ci-contre). Si une réaction nucléaire parvient à combiner des noyaux légers en noyaux plus lourds, il est libéré sous forme d'énergie cinétique des produits de la réaction.. Cette énergie cinétique, dégradée en chaleur par collisions entre particules, peut alimenter une machine thermique (des turbines, en particulier) et produire de l'électricité.
Répulsion électrique Une réaction de fusion nucléaire nécessite que deux noyaux atomiques s’interpénètrent. Il faut pour cela que les noyaux surmontent l'intense répulsion due à leurs charges électriques toutes deux positives (phénomène dit de « barrière coulombienne »). Si l’on appliquait uniquement les lois de la mécanique classique, la probabilité d’obtenir la fusion des noyaux serait très faible, en raison de l’énergie cinétique microscopique (correspondant à l’agitation thermique) extrêmement élevée nécessaire au franchissement de la barrière. Cependant, la mécanique quantique prévoit, ce qui se vérifie en pratique, que la barrière coulombienne peut également être franchie par effet tunnel, à des énergies plus faibles.
Nécessité d'une température très élevée Les énergies nécessaires à la fusion restent très élevées, correspondant à des températures de plusieurs dizaines ou même centaines de millions de degrés Celsius selon la nature des noyaux (voir plus bas : plasmas de fusion). Au sein du Soleil, par exemple, la fusion de l’hydrogène aboutit, par étapes, à produire de l’hélium, à des températures de l’ordre de quinze millions de kelvins (mais suivant des schémas de réaction différents de ceux étudiés pour la production d’énergie de fusion sur Terre). Dans certaines étoiles plus massives, des températures plus élevées permettent la fusion de noyaux plus lourds.
Émission de particules vignette|Fusion nucléaire : un noyau de deutérium et un noyau de tritium fusionnent en un noyau d'hélium. Lorsque deux noyaux fusionnent, le noyau résultant se retrouve dans un état instable et doit revenir à un état stable d’énergie plus faible, en éjectant une ou plusieurs particules (photon, neutron, proton, noyau d’hélium, selon le type de réaction). L’énergie excédentaire se répartit entre le noyau et les particules émises, sous forme d’énergie cinétique.
Bilan d'énergie