L’énergie nucléaire : caractéristiques, production et coûts

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L’énergie nucléaire utilise un métal radioactif, l’uranium, pour produire de l’énergie, le tout au sein de centrales nucléaires. Mais comment produit-on de l’énergie nucléaire ? Quels en sont les avantages et inconvénients à produire de l’énergie nucléaire 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 des énergies 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-ci 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…

Comment fonctionne l’énergie nucléaire ?

La production d’énergie nucléaire passe par 3 grandes étapes : l’extraction de l’uraniumla 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, 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.

Comment fonctionne une centrale nucléaire ?

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 nucléaire provoque une libération très importante d’énergie.

La fission nucléaire, dans les faits

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. Elle provoque un dégagement d’énergie extrêmement important, de l’ordre de 200 mégaélectronvolt (MeV) 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 Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (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).

Qu’est-ce que la fusion nucléaire ?

La fusion nucléaire correspond à une réaction durant 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 (de l’ordre de 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

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Lorsque l’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 États-Unis pour développer un réacteur nucléaire à sels fondus, une technologie qui permettrait de produire du nucléaire au prix du charbon.

Le coût du nucléaire en France

En 2021, le prix du MWh (mégawattheure) d’énergie nucléaire était d’environ 42 €. Depuis, la crise de l’énergie qui a débuté à la fin de la même année a fait grimper les prix, à tel point que le prix du MWh a atteint plus de 310 €. Avant l’accident de Fukushima, le montant était de 42 €, cette hausse dépasse les prévisions de la Cour des comptes.

Les différents usages de l’énergie nucléaire

La production d’énergie nucléaire sert principalement à des applications dans plusieurs domaines majeurs, dont :

  • 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 390 220 MW, répartis comme suit :

  • États-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 dans le monde, dont la majeure partie se trouve en Chine, aux Émirats 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 la part d’électricité nucléaire est la plus importante (environ 70 %), devant la Slovaquie (54 %)la Hongrie (49 %), la Belgique (46,6 %) et l’Ukraine (36 %). 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 (transportant la chaleur d’un point A à un point B 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… L’usage civil est également représenté, à l’image des 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 ravitaillement), 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 pas 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 octroyée 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 poussée 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 d’électricité ;
  • 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 ont montré les exemples de la centrale nucléaire de Tchernobyl (1986), ou plus récemment à Fukushima (2011). On recense d’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.

Énergie nucléaire et sûreté font-ils bon ménage ?

Il s’agit de l’un des enjeux majeurs liés à l’énergie nucléaire. Depuis les catastrophes de Tchernobyl et Fukushima, les autorités n’ont cessé d’améliorer les conditions dans lesquelles cette énergie est exploitée et, surtout, la manière avec laquelle ses déchets sont stockés.

EDF, premier producteur de France, s’assure de la sûreté liée à la manipulation de l’énergie nucléaire. Le fournisseur d’électricité historique a mis en place trois barrières de sûreté entourant ses réacteurs nucléaires. Il s’agit de :

La gaine des crayons combustibles : il s’agit d’une enveloppe étanche couvrant les pastilles d’uranium, faisant office de protection en cas de dispersion de produits radioactifs ;

L’enveloppe du circuit primaire : conçue en acier inoxydable d’une importante épaisseur et qui permet de conserver l’étanchéité du circuit refroidissant les crayons combustibles sus-cités.

L’enceinte de confinement : qui est une structure en acier et/ou en béton armé. Cette peau permet d’isoler le réacteur nucléaire et son cœur, qui comprend notamment l’entrée d’eau froide et la sortie d’eau chaude, la cuve ou encore de circuits primaires et secondaires.

Le saviez-vous ? Les EPR (réacteurs pressurisés européens de nouvelle génération) d’EDF répondent au principe de redondance. Il s’agit du fait de multiplier les systèmes de sûreté. On en compte trois à quatre fois plus afin de répondre au moindre problème de sécurité qui pourrait entraîner la défaillance du premier système de sûreté.

Le nucléaire et la création d’emplois

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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 (PricewaterhouseCoopers, entreprise spécialisée dans le conseil, l’audit et l’expertise juridique). 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’énergie hydraulique). L’énergie nucléaire demeure donc encore la source de production majeure de l’électricité dans l’Hexagone. Chaque année, ce sont un peu moins de 400 terawattheure (TWh) d’énergie nucléaire qui sont produits en France. La France est le 2e producteur mondial d’électricité nucléaire, derrière les États-Unis et devant la Russie ainsi que la Chine.

Et en Europe ?

L’Europe est le continent ayant le plus recours à l’énergie nucléaire, loin devant les États-Unis, le Japon et la Russie qui produisent respectivement 98,1 GWh, 43,5 GWh et 19,8 GWh.

La part d’énergie nucléaire est d’environ 26 % à l’échelle européenne. On compte une centaine de réacteurs disséminés dans toute l’Europe. Il s’agit donc d’une énergie sur laquelle le Vieux continent compte, à tel point que le Parlement européen a décidé, en juillet 2021, d’inclure l’énergie nucléaire dans la liste des énergies « vertes » de l’Europe. Cette décision a été prise, non sans d’houleux débats, dans un contexte de transition énergétique encore poussive aujourd’hui.

Historique du développement du parc nucléaire français

Le nucléaire s’est répandu en France à partir de 1963, quand le pays 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 États-Unis.

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

L’énergie nucléaire et les Français

Un temps décrié par de nombreux Français, le nucléaire semble aujourd’hui s’attirer un peu plus les faveurs de nombreux consommateurs. La tendance se confirme au vu de différents sondages réalisés ces dernières années. À la fin du quinquennat de François Hollande (2012-2017)53 % des sondés étaient « contre » le nucléaire (- 12 points). Par ailleurs, on constate que la majorité des sympathisants de tous les partis sont en faveur du nucléaire : LR (84 %)LREM (69 %)RN (65 %)PS (60 %)FI (58 %). Les écologistes sont, quant à eux, contre à hauteur de 66 %.

Si le nucléaire fait débat c’est en raison, comme mentionné précédemment, de la gestion des déchets pouvant donner lieu à des accidents à grande échelle. Si cette crainte est formulée par les écologistes, elle l’est également par les électeurs du parti de la France Insoumise (FI). À l’inverse, ceux qui y sont favorables rappellent la possibilité d’avoir recours à une énergie sans carbone et, ainsi, limiter l’augmentation des émissions de CO2 et le réchauffement climatique.

Par ailleurs, selon le « baromètre de l’économie » de mars 2021 réalisé par l’institut Odoxa, c’est la lutte contre le réchauffement climatique qui semble préoccuper davantage les Français suivi des énergies renouvelables et la diminution des prix de l’électricité et du gaz.

Quel avenir pour le nucléaire ?

Vers une diminution de la part du nucléaire en France

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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. À l’inverse, 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 réduire la part de carbone dans le cadre de la production d’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. Elle est désignée par la célèbre formule d’Albert Einstein (1879-1955), 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.