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Énergie nucléaire
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 (uranium, 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 USA 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.
Tours de refroidissement d’une centrale nucléaire en Pennsylvanie (© 2011)
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 (Fe, Ni) 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 (35% pour les centrales actuelles).
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 chaine
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 croute 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’U235 émet plus de deux neutrons. Au-delà d’une certaine concentration, un de ces neutrons provoque la désintégration d’un autre noyau d’U235, et il peut se produire une réaction en chaine. S’il est présent, l’U238 peut aussi absorber un neutron pour se transformer en Plutonium 239, lui aussi très instable comme U235. 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 U235 produit la même quantité d’électricité que 2 tonnes de fuel ou 3 tonnes de charbon) ;
- un fonctionnement sans émission de Gaz à Effet de Serre (GES) carbonés ;
- des réserves de combustibles 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 Etats, et particulièrement ceux qui se sont dotés de l’arme nucléaire. Ils ont dû ainsi maitriser les technologies qui sont aussi au cœur du nucléaire civil. Parmi ces pays : les Etats-Unis, la France, le Royaume-Uni, la Russie et ses anciens satellites, l’Inde et la Chine (Israel 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 et la Corée du Sud.
En 2007, 2 739 TWh d’électricité nucléaire ont été produits dans le monde, dont 29,6 % aux USA, 16 % en France et 10,8 % au Japon. Viennent ensuite l’Allemagne (6 %) la Russie (5,4 %) et la Corée du sud (5,3 %)(1). Nul doute que la Chine (2 %) et l’Inde (1 %) ne se rapprochent rapidement des leaders compte tenu des investissements énormes consentis pour le nucléaire civil dans ces deux pays émergents.
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 fuel. Les centrales de 2ème génération actuelles ont des puissances de l’ordre du Gigawatt (1000 MW).
Chiffres clés
Il y a aujourd’hui 442 réacteurs produisant de l’électricité dans 31 pays, dont une centaine aux USA et 58 en France. L’Europe produit actuellement le tiers de l’électricité nucléaire mondiale(2)(3). Cette dernière ne représente cependant que 7 % de l’énergie primaire mondiale et 15 % de l’énergie électrique (20 % aux USA, 27 % en Europe et 80 % 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 fissions 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 USA, pour la production d’électricité. Aujourd’hui plus de 400 centrales nucléaires sont opérationnelles dans le monde entier. 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.
Il existe deux types de réactions nucléaires : la fission et la fusion.
La fission nucléaire (© CEA)
La fusion nucléaire (© CEA)
La réaction en chaîne (© CEA)
Il y a de l’uranium partout, mais à très faible teneur. Dans les océans, par exemple, au taux de 3,3 PPMds. Ce qui équivaut à 4,5 billions de tonnes, soit 1000 fois les minerais terrestres estimés.
La bataille d’aujourd’hui est celle de l’équipement mondial en centrales de 3 ème génération (EPR, AP1000…), et particulièrement en Asie (Chine, Inde et Corée) où les besoins en électricité sont énormes. On estime le marché potentiel à environ 300 centrales dans les vingt ans à venir.
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