Tout savoir sur l’énergie nucléaire

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L’énergie nucléaire utilise un métal radioactif, l’uranium, pour produire de l’électricité, le tout au sein de centrales nucléaires. Comment produit-on de l’énergie nucléaire ? Quels en sont les avantages et inconvénients et où en sommes-nous en France ? Toutes les explications avec LeLynx.fr.

Qu’est-ce que l’énergie nucléaire ?

L’énergie nucléaire, également appelée énergie atomique, est un type d’énergie, à différencier des énergies fossiles et renouvelables. Elle est produite à partir d’un combustible, l’uranium. Ce métal radioactif est contenu dans le sous-sol de la terre.

L’énergie nucléaire permet de produire de l’électricité au sein des centrales nucléaires. En effet, la chaleur dégagée par la fission des atomes d’uranium transforme l’eau en vapeur. Celle est utilisée pour mettre en mouvement des turbines, elles-mêmes reliées à des alternateurs qui produisent ainsi de l’électricité.

L’énergie nucléaire est principalement utilisée pour produire de l’électricité, mais elle peut également être utilisée dans les secteurs sanitaires, militaires, environnementaux…

Fonctionnement de l’énergie nucléaire

La production d’énergie nucléaire passe par 3 grandes étapes : l’extraction de l’uranium, la production en centrale nucléaire et le traitement des déchets radioactifs.

L’extraction de l’uranium

Le minerai d’uranium se trouve dans les mines d’uranium, bien souvent dans le sous-sol terrestre. Il est donc nécessaire de procéder à une phase d’extraction. Avant d’être envoyé en centrale nucléaire, l’uranium doit également être transformé pour être exploitable. Après purification, l’uranium s’apparente à une poudre concentrée, communément appelée « yellowcake ».

La production d’électricité en centrale nucléaire

Une fois acheminé en centrale nucléaire, ce concentré d’uranium est enfermé dans un réacteur nucléaire. Celui-ci provoque la fission des atomes d’uranium, processus qui dégage de la chaleur puis de la vapeur. Cette dernière fait tourner une turbine, qui produit alors de l’électricité.

Les déchets radioactifs

Une fois l’uranium utilisé, il reste une matière, qui ne peut plus servir à alimenter les réacteurs mais qui demeure radioactive. Il s’agit d’un déchet nucléaire, qui est envoyé dans une usine de traitement, où il est trié selon son degré de radioactivité. Ensuite, les déchets nucléaires sont stockés ou enterrés profondément.

Le principe de la réaction nucléaire

La réaction nucléaire est une transformation de masse en énergie qui est à l’œuvre dans la fission et la fusion nucléaires. Dans les faits, il s’agit d’une réaction dans laquelle un noyau interagit avec une particule et subit un réarrangement plus stable. Une réaction provoque une libération très importante d’énergie.

Fission nucléaire

Quand un neutron percute le noyau d’un isotope lourd, il arrive que le noyau percuté se divise en deux noyaux plus petits. Cela s’appelle la fission nucléaire, et provoque un dégagement d’énergie extrêmement important, de l’ordre de 200MeV par événement.

Une fission provoque aussi une émission d’autres neutrons qui viennent à leur tour percuter des noyaux et ainsi enclencher une réaction en chaîne. Dans un réacteur nucléaire, une telle fission est réalisée dans des conditions stables, lentes et contrôlées ; contrairement aux bombes atomiques, où la réaction est démultipliée si vite qu’elle génère une explosion.

D’après le CEA, l’énergie produite par un kilo d’uranium naturel dans un réacteur nucléaire équivaut à l’énergie produite par 10 tonnes équivalent pétrole (TEP).

Fusion nucléaire

La fusion nucléaire correspond à une réaction dans laquelle deux noyaux s’assemblent pour former un noyau plus lourd. Par exemple, un noyau de deutérium et un noyau de tritium s’associent pour former un noyau d’hélium plus un neutron. La fusion de noyaux légers provoque aussi un dégagement d’une forte quantité d’énergie, bien plus importante encore que la répulsion électrostatique.

La fusion nucléaire n’a lieu qu’à des température très élevées (des dizaines de millions de degrés), dans laquelle la matière est à l’état de plasma. De telles conditions sont réunies dans les étoiles, dans les explosions thermonucléaires et dans les réacteurs nucléaires expérimentaux. Pour le moment, aucune installation ne permet de produire l’énergie nucléaire par contrôle de fusion. Mais en 2020, le réacteur thermonucléaire expérimental international (ITER) a commencé à être assemblé à Saint-Paul-lès-Durance (Bouches-du-Rhône) pour un usage civil. Les premiers essais devraient avoir lieu en 2025.

Quel est le coût de l’énergie nucléaire ?

Investissements et production d’énergie nucléaire

Quand on compare le nucléaire à d’autres sources d’énergie, on peut en conclure qu’il nécessite des investissements coûteux. Cependant, le prix de son exploitation est relativement faible par kilowattheure produit. C’est pour cela qu’un plan de développement de l’énergie nucléaire civile ne peut se concevoir que dans le cadre d’une politique à long-terme. Le coût et la rentabilité se calculent donc en fonction de la durée d’exploitation mais aussi de leur potentielle reconduction et des technologies proposées.

La part du combustible, le minerai d’uranium, est très faible dans le coût global de la production d’énergie nucléaire. Il existe actuellement un partenariat entre la Chine et les Etats-Unis pour développer un réacteur nucléaire à sels fondus, une technologie qui permettrait de produire du nucléaire au prix du charbon.

Coût du nucléaire en France

Dans notre pays, on estime que le MWh d’énergie nucléaire coûte 49,50€ à produire dans les centrales déjà existantes. Avant l’accident de Fukushima, le montant était de 42€, cette hausse dépassant les prévisions de la Cour des comptes. Dans les centrales en cours de construction (EPR Flamanville), ce coût devrait tourner autour de 75€ ou 80€, prenant en compte les frais de construction de l’EPR qui sont sans cesse relevés.

Les différents usages de l’énergie nucléaire

La production d’énergie nucléaire sert principalement à des applications dans deux ou trois domaines majeurs :

  • La production d’électricité dans les centrales nucléaires ;
  • La propulsion navale des flottes militaires et civiles ;
  • La propulsion spatiale (envisagée mais pas encore possible).

L’énergie des centrales nucléaires

Dans le monde, il existe aujourd’hui plus de 440 réacteurs nucléaires, dans différents pays. Leur puissance totale est de 390 220MW, répartis comme ceci :

  • Etats-Unis (24,9%) ;
  • France (16%) ;
  • Chine (11,7%) ;
  • Japon (8,1%) ;
  • Russie (7,3%) ;
  • Corée du Sud (5,9%).

Actuellement, plus de 50 nouveaux réacteurs nucléaires sont en construction à l’échelle de la planète, dont la majeure partie en Chine, aux Emirats arabes unis, en Inde, en Russie et au Royaume-Uni. L’énergie nucléaire est en pleine expansion : alors qu’elle ne représentait que 3,3% de la production d’électricité en 1973, elle a atteint 10,3% de cette part en 2017.

La France est le pays dont l’électricité provient le plus du nucléaire (70%), devant la Slovaquie (54%), l’Ukraine, la Hongrie et la Belgique. La Commission européenne, dans son programme de décarbonation à horizon 2050 prévoit un développement accru de l’énergie nucléaire.

L’énergie nucléaire dans la propulsion navale

Certains bâtiments navals utilisent des réacteurs nucléaires. Un fluide caloporteur est chauffé à très haute température pour produire une vapeur d’eau, qui sert à actionner les turbines couplées aux hélices de propulsion et les turbines couplées à des alternateurs qui alimentent tout le navire en énergie électrique.

Aujourd’hui, environ 400 bâtiments fonctionnent grâce à l’énergie nucléaire, en particulier à usage militaire : sous-marins, porte-avions, croiseurs… et à usage civil, comme les brise-glaces. Dans les années 1970 se sont développés des cargos nucléaires, qui ont par la suite été abandonnés pour leur absence de rentabilité.

Les avantages de l’énergie nucléaire pour un usage militaire sont nombreux : l’autonomie (plus de besoins de ravitaillements), une propulsion indépendante de l’atmosphère (pas besoin de remonter en surface pour alimenter le diesel en oxygène) et le maintien de fortes vitesses en plongée.

L’énergie nucléaire dans la propulsion spatiale

L’utilisation de l’énergie nucléaire pour la propulsion spatiale est aujourd’hui envisagée, mais jamais encore effective. Son avantage serait de produire une poussée constante pendant tout le trajet dans l’espace. En effet, les engins actuels ne peuvent produire qu’une poussée initiale avec des ajustements de trajectoire car la contenance des réservoirs est trop faible.

Le gouvernement américain a donné une enveloppe de 125 millions de dollars à la NASA pour concevoir une fusée qui serait propulsée grâce à un réacteur nucléaire. Celui-ci chaufferait un fluide à très haute température qui serait éjecté à l’arrière du moteur afin de créer la pousser permettant de faire décoller la fusée. La mission lunaire de 2024 et l’objectif Mars de 2033 espèrent pouvoir profiter de cette technologie qui réduirait fortement les temps de trajet.

Avantages et inconvénients de l’énergie nucléaire

L’énergie nucléaire présente des avantages certains :

  • Elle ne rejette pas de CO2, mais de la vapeur d’eau ;
  • Elle est disponible tout l’année ;
  • Elle n’est pas chère à produire et permet de produire dans de grandes quantités ;
  • Les installations nécessaires à sa production ont une durée de vie assez longue, de 40 ans environ.

Pour autant, le nucléaire engendre aussi des problèmes. Parmi les inconvénients les plus souvent cités, on trouve celui de la gestion des déchets nucléaires. Encore radioactifs, ceux-ci sont nocifs pour la santé.

Pareillement, en cas d’accident, les conséquences sur la santé peuvent être graves, comme l’a montré l’exemple de la centrale nucléaire de Tchernobyl, ou plus récemment à Fukushima (2011). Autres inconvénients :

  • Les coûts d’installation, d’entretien et de démantèlement lorsque les centrales nucléaires deviennent trop anciennes et les coûts de construction élevés ;
  • Les ressources en uranium, qui n’existent pas en quantité illimitée.

Le nucléaire et la création d’emplois

La filière nucléaire est la troisième filière industrielle en France, derrière l’aéronautique et l’automobile. Elle compte près de 2 500 entreprises et 220 000 salariés. Le nucléaire permet de pérenniser des emplois qualifiés, non délocalisables et durables. La France a la gestion de la chaîne de valeur de la production nucléaire et à ce titre concentre la majorité des emplois.

La construction d’un réacteur de troisième génération comme un EPR permet de soutenir 8 350 emplois sur 7 ans, selon une étude PwC. Il faut en effet deux ans de phase d’étude et cinq ans (voire plus) de construction. Enfin, l’exploitation d’un réacteur permet de maintenir 1 650 emplois sur plus de 60 ans.

L’énergie nucléaire en France

L’énergie nucléaire est particulièrement développée en France. En proportion de la population, la France est en effet le pays qui dispose du parc nucléaire le plus important au monde, avec 58 réacteurs répartis sur 19 sites nucléaires.

Aujourd’hui, l’électricité consommée en France provient à plus de 70% de l’énergie nucléaire et à un peu plus de 25% des énergies renouvelables (principalement l’hydraulique). L’énergie nucléaire demeure donc encore la source de production majeure de l’électricité dans l’Hexagone. Chaque année, 405TWh d’énergie nucléaire sont produits en France.

Astuce Malynx !

La France est le 2ème producteur mondial d’électricité nucléaire, derrière les Etats-Unis et devant la Russie et la Chine.

Historique du développement du parc nucléaire français

Le nucléaire s’est répandu en France à partir de 1963, quand elle démarre la construction de neuf réacteurs de première génération (technologie graphite gaz). En 1968, le pays se tourne vers les réacteurs de deuxième génération (eau sous pression), pour des raisons à la fois économiques et techniques. Ces réacteurs sont construits par les Etats-Unis.

Mais l’impact du choc pétrolier de 1973 pousse le gouvernement Messmer à lancer la construction de 16 réacteurs de 900MWe. Ils sont suivis trois ans plus tard par 20 autres réacteurs de 1300MWe. Quatre autres réacteurs sont construits entre 1996 et 2000. Actuellement, un nouveau EPR (3e génération) est en construction sur le site de Flamanville.

Quel avenir pour le nucléaire ?

Diminution de la part du nucléaire en France

Si la part du nucléaire dans le mix énergétique français est d’environ 70% actuellement, elle est appelée à diminuer dans un futur proche. En effet, la loi de transition énergétique pour une croissance verte (LTECV) prévoit de réduire cette part à 50% d’ici 2025. A contrario, la part des énergies renouvelables devrait elle considérablement augmenter.

Le nucléaire, une énergie d’avenir selon le GIEC

Huesung Lee, président du GIEC, a présenté le rapport spécial SR1.5 de 2019. Dans ce large dossier, on peut noter 89 trajectoires possibles étudiées pour l’horizon 2100 pour maintenir le réchauffement climatique à 1,5°C. On note que dans ces 89 trajectoires, le nucléaire occupe toujours une place de choix dans la lutte pour la décarbonation de l’électricité. Huesung Lee affirme que pour réussir cette transition, la filière nucléaire doit réussir à baisser le coût de production de l’énergie et accélérer le déploiement.

Qu’est-ce que la radioactivité ?

La radioactivité est un phénomène physique naturel par lequel des noyaux atomiques instables dissipe leur masse initiale sous la forme d’énergie. Ils évoluent ensuite vers des noyaux atomiques plus stables, par le processus de désintégration. C’est la célèbre formule d’Albert Einstein, E=mc².

Les corps radioactifs dégagent de manière naturelle cette énergie produite, sous la forme d’un rayon ionisant et de la chaleur. Celle-ci est particulièrement intense dans le cas du combustible nucléaire au sein du réacteur. C’est d’ailleurs pour cette raison que le combustible irradié est entreposé dans une piscine de désactivation non loin du réacteur.

Les piscines de stockage de combustible nucléaire (SFP, pour spent fuel pools) sont des bassins où l’on stocke les combustibles irradiés ou destinés à l’approvisionnement d’un réacteur à l’arrêt.
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