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Énergie nucléaire

Energie nucléaire tours de refroidissement
Tours de refroidissement d’une centrale nucléaire en Pennsylvanie (©photo)

Définition et catégories

L’énergie nucléaire est l’énergie de liaison des constituants du noyau des atomes. Ce noyau est un assemblage de protons, de charge positive, et de neutrons sans charge très fortement liés malgré la répulsion électrique entre protons. Le noyau est extrêmement compact (10-12 mm), 100 000 fois plus petit que l’atome lui-même.

Dans les atomes lourds le noyau contient beaucoup de protons qui se repoussent. Certains de ces noyaux (d'uranium, de thorium) peuvent devenir instables et se rompre en libérant une partie de leur énergie de liaison. C’est la fission de l’atome. Dans les atomes très légers, au contraire, deux noyaux peuvent se fondre pour former un atome plus lourd mais plus stable en dégageant une énergie considérable. C’est la fusion, par exemple de l’hydrogène en hélium.

Sur Terre, la radioactivité naturelle, qui échauffe le magma, est à la base de la géothermie et du volcanisme. Dans l’univers, la fusion est omniprésente dans le cœur des étoiles, en particulier du Soleil. Ces deux formes d’énergie naturelles se rencontrent et se combinent dans l’atmosphère terrestre, en entretenant des conditions favorables à la vie dans une couche atmosphérique très mince.

Les premières applications de l’énergie nucléaire ont été militaires, qu’il s’agisse de l’exploitation de la fission (Hiroshima - 1945) ou de la fusion (bombe à hydrogène - 1952).

Les applications civiles de la fission contrôlée ont démarré dès 1950 aux États-Unis pour la production d’électricité. La fusion contrôlée est encore au stade des laboratoires de recherche. L’énergie nucléaire a aussi donné lieu à d’autres applications majeures pour l’humanité en particulier en médecine, en radiothérapie et en imagerie médicale, et dans le spatial pour la propulsion des satellites.

Fonctionnement technique ou scientifique

Le principe de l’énergie de liaison

Par des techniques de pointe, il est possible de mesurer la masse d’un noyau, celle d’un proton isolé ou d’un neutron isolé. La masse du noyau est inférieure à la somme des masses de chacun de ses nucléons (protons et neutrons). Qu’est devenue la masse manquante ? Ce défaut de masse correspond à une énergie latente que la célèbre formule d’Einstein, E = mc2, nous permet de calculer. Cette quantité d’énergie sert de ciment pour tenir ensemble les constituants du noyau : on l’appelle pour cette raison l’énergie de liaison. Elle correspond à l’énergie qu’il faut fournir au noyau pour le dissocier en nucléons isolés.

Les noyaux des atomes de masses moyennes (fer, nickel) sont les plus fortement liés donc plus stables que les noyaux lourds (uranium) ou légers (hydrogène).

Les réactions nucléaires libératrices d’énergie

Elles sont de deux types.

La fission ou cassure d’un noyau très lourd en deux noyaux de taille moyenne

Elle consiste à casser des noyaux lourds, comme ceux de l’uranium 235 ou du plutonium 239, sous l’effet de l’impact d’un neutron. Elle transforme chaque noyau en deux autres noyaux environ deux fois plus petits. C'est l'énergie libérée par cette réaction qui est utilisée dans les réacteurs électronucléaires ; elle apparaît sous forme de chaleur et, comme pour la combustion thermique, sa conversion en électricité a un rendement limité (près de 35% pour les réacteurs actuels).

La fusion de noyaux très légers en un noyau un peu plus lourd et plus stable

C’est ce phénomène qui se produit au cœur du Soleil et des étoiles, principalement par fusion des noyaux d’hydrogène en noyaux d’hélium.

Depuis une cinquantaine d’années, de nombreux laboratoires étudient la fusion contrôlée de deux noyaux légers comme ceux du deutérium et du tritium qui sont deux isotopes lourds de l’hydrogène.
Ce domaine est encore au stade de la recherche. Deux voies sont explorées : la fusion rapide par confinement inertiel au moyen d’un laser et la fusion lente par confinement magnétique. La production industrielle d’électricité par fusion n’est pas envisageable avant plusieurs décennies.

La réaction en chaîne

Ayant découvert et compris la fission vers 1930, l’homme a entrepris d’exploiter la fission des atomes lourds pour en extraire de l’énergie nucléaire. Dans la croûte terrestre, le minerai d’uranium est constitué à 99,3 % d’uranium 238 stable et de 0,7 % d’uranium 235 fissile. A chaque désintégration, le noyau d’U 235 émet plus de deux neutrons. Au-delà d’une certaine concentration, un de ces neutrons provoque la désintégration d’un autre noyau d’U 235, et il peut se produire une réaction en chaîne. S’il est présent, l’U 238 peut aussi absorber un neutron pour se transformer en plutonium 239, lui aussi très instable comme U 235. En contrôlant cette réaction en chaine, on dispose d’une source d’énergie continue puissante et compacte.

Enjeux par rapport à l'énergie

Les enjeux géopolitiques et environnementaux placent l’énergie nucléaire au cœur des débats. Ses caractéristiques sont les suivantes :

  • une exceptionnelle densité (1 gramme d’uranium U 235 produit la même quantité d’électricité que 2 tonnes de fioul ou 3 tonnes de charbon) ;
  • un fonctionnement sans émission de dioxyde de carbone ;
  • des réserves de combustibles bien réparties géographiquement, d’un siècle au minimum aujourd’hui, devenant millénaires dès que les réacteurs surgénérateurs en cours de développement seront capables de recycler les déchets accumulés par les centrales actuelles, en consommant beaucoup moins de matériaux fissiles ;
  • l’énergie nucléaire de fission nécessite au départ des investissements lourds, obstacle important même si, in fine, elle s’avère très rentable ;
  • la maîtrise de sa sûreté est très exigeante ;
  • les risques de prolifération (nouveaux pays s’équipant d’armes nucléaires) sont difficiles à éliminer totalement ;
  • ses déchets, pourtant en faible volume, sont considérés comme dangereux, objet de débats où s’affrontent des logiques différentes.

Acteurs majeurs

Les acteurs majeurs de l’énergie nucléaire civile sont les États, et particulièrement ceux qui se sont dotés de l’arme nucléaire. Ils ont dû ainsi maîtriser les technologies qui sont aussi au cœur du nucléaire civil. Parmi ces pays : les États-Unis, la France, le Royaume-Uni, la Russie et ses anciens satellites, l’Inde et la Chine (Israël et le Pakistan n’ont pas encore de nucléaire civil). Des puissances économiques non dotées d’armes nucléaires ont également développé des capacités nucléaires civiles : l’Allemagne, le Canada, le Japon, la Corée du Sud, etc.

Près de 2 518 TWh d’électricité ont été produits dans le monde par des réacteurs nucléaires en 2011, dont 31,4% aux États-Unis, 16,1% en France et 6,6% en Russie. Viennent ensuite le Japon (6,2%) et la Corée du sud (5,9%)(1). Il est probable que la Chine (3,9%) et l’Inde (1,1%) occupent prochainement une place parmi ces leaders, compte tenu des investissements énormes consentis pour le nucléaire civil dans ces deux pays.

Parmi les acteurs mondiaux majeurs, l’AIEA (Agence Internationale pour l’Energie Atomique) dépend directement du conseil de sécurité de l’ONU. Elle a pour rôle « d’assurer un usage sûr et pacifique des technologies et des sciences liées au nucléaire ».

Au niveau industriel, les principaux acteurs sont Areva/EDF, Westinghouse/Toshiba, GE/Hitachi, Mitsubishi,  KEPCO (Corée du sud), Rosatom (Russie), AECL (Canada).

Unités de mesure et chiffres clés

Unités 

L’émergence, à partir de 1930, de l’énergie nucléaire a suscité la création de nombreuses unités.

La radioactivité : elle s’est d’abord mesurée en Curie, unité très grande, puis en Becquerel (1 désintégration/seconde), unité minuscule. Les doses absorbées se calculent en Gray. L’effet des doses absorbées suivant la nature des radiations et de l’espèce irradiée s’expriment en Sievert.

La puissance des armes : elle se mesure en tonnes de TNT (Trinitrotoluène), explosif très puissant fournissant 4,6 Giga joules (1 gramme de TNT = 1 000 calories). Les bombes H ont typiquement une puissance d’1 mégatonne de TNT, les bombes à fission de 15-20 kilotonnes de TNT.

La puissance des centrales nucléaires : elle se mesure en mégawatts, comme celle des centrales à charbon ou à fioul. Les centrales de 2e génération actuelles ont des puissances de l’ordre du gigawatt (1 000 MW).

Chiffres clés

Il y a aujourd’hui 437 réacteurs produisant de l’électricité dans 31 pays, dont 103 aux États-Unis et 58 en France. L’Europe produit actuellement  un tiers de l’électricité nucléaire mondiale. Cette dernière ne représente cependant que 5,7% de l’énergie primaire mondiale et près de 13% de l’énergie électrique (approximativement 19% aux États-Unis et 75% en France).

Passé et présent

L’atome a été découvert en 1912 (Rutherford, Bohr), le  neutron en 1922, la fission spontanée et le dégagement d’énergie (Curie) en 1938, puis en 5 ans, dans l’urgence de la Deuxième Guerre mondiale, la bombe atomique (1945).  Le nucléaire a pour ainés l’aéronautique et l’automobile. Il est le contemporain de l’électronique.

Au niveau militaire, deux bombes à fission ont été utilisées en 1945 contre le Japon. Les engins thermonucléaires, cent fois plus puissants, ont ensuite joué un rôle clé dans la dissuasion mutuelle entre les deux blocs pendant toute la guerre froide (1950-1990).

Simultanément, des réacteurs nucléaires ont été développés pour la propulsion des navires de guerre, en particulier les sous-marins nucléaires lanceurs d’engins (SNLE).

Au niveau civil, la fission nucléaire contrôlée a démarré dès 1950, aux États-Unis, pour la production d’électricité. Aujourd’hui, 437 réacteurs nucléaires sont opérationnels dans le monde entier(2). Les modèles actuels utilisés pour produire de l’électricité sont pour l’essentiel des réacteurs à eau de deuxième génération, dont la durée de vie atteindra ou dépassera 50 ans. Une troisième génération améliorée de ces réacteurs à eau est en cours d’installation (ex : EPR, AP1000). Leur remplacement par des réacteurs à neutrons rapides consommant tout l’uranium et produisant moins de déchets nécessite l’emploi de matériaux résistants aux hautes températures et aux flux intenses. Ces surgénérateurs sont au stade expérimental (ex : Génération IV).

Aujourd’hui, l’énergie nucléaire a également un rôle clé dans les secteurs d’activité suivants :

  • en médecine : radiothérapie, imagerie médicale (IRM) ;
  • en instrumentation industrielle et scientifique : neutrographie pour le contrôle non destructif ;
  • dans le domaine spatial : propulsion des satellites et sondes interplanétaires.

Futur

De nouvelles opportunités pourraient stimuler le développement de l’énergie nucléaire civile dans les décennies à venir :

  • l’intensification des recherches technologiques en vue de maîtriser les réacteurs de quatrième génération pourrait résoudre les problèmes de sécurité d’approvisionnement et de déchets en harmonie avec l’environnement ;
  • l’émergence des « smart grids » (réseaux de distribution électrique intelligents), conjuguée à celle de petits réacteurs modulaires (150 MW), autosûrs et consommateurs d’uranium appauvri, pourrait assurer un approvisionnement électrique local adapté ;
  • les progrès attendus en fusion nucléaire, énergie puissante et disposant également de ressources naturelles considérables, pourraient ouvrir une seconde voie de production d’énergie nucléaire pour faire face à l’épuisement des ressources en combustibles fossiles.