L'énergie nucléaire | Mission énergie

Produite à partir d’uranium, l’énergie nucléaire est extrêmement puissante. Après avoir servi à des fins militaires – la bombe atomique –, elle a été utilisée pour produire de l’électricité. Très peu répandue dans le monde, elle représente en France la principale source d’électricité. Peu carbonée, elle est très controversée en raison de sa dangerosité.

Qu’est-ce que l’énergie nucléaire ?

Tout objet, toute matière, est composé de composants microscopiques : les atomes. Au centre de chaque atome se trouve un noyau, constitué de protons et de neutrons. Autour de ce noyau tournent des électrons. L’énergie nucléaire, que l’on appelle aussi énergie atomique, provient de l’explosion du noyau d’un atome, mais attention, pas de n’importe quel atome ! Il s’agit de celui d’uranium, un métal que l’on extrait de la roche.

Il existe plusieurs types d’uranium : notamment l’uranium 238 et l’uranium 235. Celui qu’on utilise dans les centrales nucléaires est l’uranium 235. Il a une particularité, son noyau est instable et se casse facilement en deux noyaux plus petits, si on le bombarde avec un neutron. Ce phénomène, dénommé fission nucléaire, dégage une grande quantité de chaleur et libère deux ou trois neutrons. Ces neutrons peuvent à leur tour casser d’autres noyaux, dégager de l’énergie et libérer d’autres neutrons, et ainsi de suite. C’est ce que l’on appelle une réaction en chaîne.

*La réaction de la fission nucléaire © IRSN*

La chaleur libérée par la fission est utilisée dans les centrales nucléaires pour faire bouillir de l’eau. La vapeur ainsi obtenue fait tourner une turbine qui produit de l’électricité. Une pastille de 7 grammes d’uranium peut libérer autant d’énergie… qu’une tonne de charbon! Contrairement aux énergies fossiles, l’énergie nucléaire n’émet pas de gaz à effet de serre. Elle ne représente donc pas un danger pour le climat.

Qu’est-ce que la radioactivité ?

En se désintégrant, les atomes fissiles émettent des rayonnements ou radiations, c’est ce qu’on appelle la radioactivité. La radioactivité existe naturellement sur Terre et elle n’est pas dangereuse à petite dose. En revanche à haute dose, qu’elle soit naturelle ou artificiellement reproduite par l’homme dans une centrale nucléaire, elle est dangereuse pour la santé, voire mortelle. Invisibles, ces rayonnements peuvent en effet endommager ou détruire des cellules. Lors d’une irradiation importante, comme en cas d’accident nucléaire, les radiations peuvent causer de graves brûlures et des cancers, comme celui du sang. Ce sont ces rejets radioactifs dans l’atmosphère qui ont contaminé des centaines de milliers d’habitants lors des catastrophes de Tchnernobyl (1986) et de Fukushima (2011).

De l’art à l’industrie, en passant par l’aérospatiale ou l’agroalimentaire, les différentes propriétés de la radioactivité sont mises à profit dans notre vie de tous les jours. C’est par exemple le cas en médecine, lorsqu’on va « passer une radio », pour voir si l’on s’est cassé la jambe.

Comment produire de l’uranium 235 en quantité ?

L’uranium est un métal relativement répandu. Dans la croûte terrestre, il est 50 fois plus abondant que le mercure et 1 000 fois plus abondant que l’or. Il n’est pas présent dans le sous-sol à l’état pur, mais combiné dans la roche à d’autres éléments chimiques. Pour ne pas transporter inutilement des tonnes de minerai sur des milliers de kilomètres, on commence par broyer les roches sur le lieu d’extraction, avant de les dissoudre dans de l’acide sulfurique. On finit par obtenir une pâte jaune contenant alors trois-quarts d’uranium, c’est le yellow cake (gâteau jaune en anglais).

La difficulté est que sur 100 kilos d’uranium, il y a 99,3 kilos d’uranium 238 et seulement 0,7 kilo d’uranium 235. Or pour alimenter les réacteurs français et provoquer la réaction de fission nucléaire, il faut disposer d’un combustible dont la proportion d’uranium 235 se situe entre 3% et 5%. Il faut donc enrichir le combustible nucléaire en uranium 235, autrement dit en augmenter la proportion. Il y a très peu d’usines au monde qui réalisent ce procédé d’enrichissement de l’uranium. En France, cela se passe à l’usine Orano du Tricastin dans la Drôme.

Que fait-on de l’uranium enrichi ?

L’uranium enrichi est transformé en pastilles de 7 grammes. Celles-ci sont empilées les unes sur les autres dans de longs tubes métalliques de 4 à 5 mètres de long : les crayons. Chaque crayon contient un peu moins de 300 pastilles. On regroupe 264 crayons pour former un assemblage. Ces assemblages sont ensuite placés verticalement au cœur du réacteur nucléaire. Ils y resteront 3 à 4 ans.

Tous les ans, on change un tiers du combustible qui est usé. Ces déchets restent radioactifs. C’est pourquoi les manipulations sont robotisées et se font sous plusieurs mètres d’eau, celle-ci constituant une protection efficace contre les rayonnements. Une fois sortis du cœur du réacteur, les assemblages de combustible usé sont entreposés pendant au moins un an dans une piscine voisine afin de faire baisser leur température et leur niveau de radioactivité.

*L’uranium, de la roche aux crayons © Orano*

Le retraitement et le stockage des déchets nucléaires

On transporte ensuite le combustible usé à l’usine de retraitement de la Hague en Normandie. Il est entreposé durant une dizaine d’années dans une nouvelle piscine. La France est l’un des rares pays au monde à retraiter ses déchets : les crayons de combustible usés sont cisaillés en petits morceaux et dissous dans des solutions acides. Cette technique permet de séparer les déchets de haute activité à vie longue (HA-VL) de l’uranium recyclable. Environ 96% du combustible usé est recyclé, les 4% restant constituent les déchets ultimes.

Ces déchets présentent une très forte radioactivité, pour des durées pouvant dépasser 100 000 ans. Ils sont coulés dans du verre en fusion et entreposés pendant 30 à 40 ans dans des conteneurs étanches en acier inoxydable. Il existe trois centres de stockage en France. Pour les déchets HA-VL, un stockage à 500 mètres sous terre est actuellement à l’étude à Bure, le projet est très controversé.

*Déchargement de combustible sous eau dans la centrale nucléaire de Golfech (Tarn-et-Garonne) © EDF*

Histoire du nucléaire

C’est en 1789 que le minerai d’uranium a été découvert. Mais cela fait seulement 120 ans que l’homme a découvert la radioactivité, et 70 ans qu’il s’en sert pour produire de l’électricité. Durant la Seconde guerre mondiale, les États-Unis utilisent la technologie nucléaire pour fabriquer une redoutable invention : la bombe atomique ou bombe A. Ils lâchent deux d’entre elles sur les villes japonaises de Hiroshima et de Nagasaki en août 1945, mettant fin à la guerre en provoquant une catastrophe sans précédent. Plus de 200 000 Japonais moururent en quelques secondes, puis dans les années suivantes de maladies provoquées par leur irradiation.

Après-guerre, les usages militaires du nucléaire restent la priorité de plusieurs pays dont la France. Dès 1945, le général de Gaulle crée le Commissariat à l’énergie atomique (CEA). En 1960, l’armée française fait exploser sa première bombe A.

Fin 1951, les Américains produisent les premiers kilowatts-heure électriques d’origine nucléaire. L’Union soviétique, le Royaume-Uni et la France suivent le mouvement. Tous se mettent à développer le nucléaire civil, une politique qui est renforcée dans les années 1970 après les chocs pétroliers qui font flamber les prix du pétrole et poussent de nombreux pays à diversifier leurs sources d’énergie. Électricité de France (EDF) met ses premiers réacteurs en service en 1963. De 1978 à 2002, elle construit 58 réacteurs. Ils sont répartis dans 19 centrales sur tout le territoire.

C’est Orano (ex-Areva) qui s’occupe du combustible, de l’extraction de l’uranium au stockage des déchets. EDF gère quant à elle la construction, l’entretien et le fonctionnement des centrales. Ces deux sociétés sont largement détenues par l’État français, à hauteur de 84% pour EDF et de 90% pour Orano.

Pour produire de l’énergie, la fission nucléaire désintègre des noyaux atomiques. La fusion, à l’inverse, consiste à fusionner des noyaux légers, comme ceux du deutérium ou du tritium, en un noyau plus lourd et plus stable. Bien plus puissant que la fission, ce phénomène est celui qui a lieu au cœur du Soleil et des étoiles ! Mais cette technologie à laquelle travaille l’Union européenne avec 6 autres pays à Cadarache, dans le sud-est de la France, ne sera pas opérationnelle avant plusieurs décennies : le projet s’appelle ITER. C’est l’un des plus grands chantiers d’Europe.

Vue panoramique du chantier ITER en 2018 © ITER

L’énergie nucléaire dans le monde

En août 2019, 450 réacteurs étaient opérationnels dans 31 pays, et 52 étaient en construction. On en comptait 97 aux États-Unis, 58 en France, 48 en Chine, 37 au Japon et 36 en Russie. Ces réacteurs représentent un peu moins de 5% de l’énergie primaire consommée dans le monde, mais environ 10% de l’électricité. La France se démarque puisque 72% de son électricité vient du nucléaire.

Après l’accident de Fukushima au Japon en 2011, de nombreux pays ont décidé de sortir du nucléaire, comme l’Allemagne, la Suisse et la Belgique.

La réaction de fission nucléaire dégage une chaleur si forte que l’on doit refroidir les réacteurs avec de l’eau froide, qui provient souvent de la mer ou d’un cours d’eau voisin. La fumée que l’on voit s’échapper des grandes cheminées des centrales est donc de la vapeur d’eau, et pas de la pollution. Une fois utilisée, cette eau, qui ne contient pas d’éléments radioactifs, est refroidie et renvoyée dans le fleuve ou la rivière. Ces rejets sont contrôlés afin de vérifier la température de l’eau. Trop chaude, elle perturberait les poissons et les plantes aquatiques.

L’EPR

L’EPR incarne la 3^e génération de réacteur nucléaire. Ce réacteur, d’une durée de vie de 60 ans, contre 40 ans pour la précédente génération, est plus sûr, et devrait produire 22% de plus d’électricité qu’un réacteur traditionnel.

Le premier EPR au monde a été mis en service en Chine en 2018. A ce jour, quatre autres sont en construction : en France à Flamanville, en Finlande, au Royaume-Uni et un second en Chine. Mais l’EPR de Flamanville n’en finit pas d’accumuler les retards et son coût a plus que triplé.