Énergie nucléaire

Cet article concerne la physique de l'énergie nucléaire. Pour la production d'électricité d'origine nucléaire, voir Centrale nucléaire. Pour les applications militaires du nucléaire, voir Arme nucléaire.

Selon le contexte d'usage, le terme d’énergie nucléaire recouvre deux sens différents :

• au niveau microscopique, l’énergie nucléaire est l’énergie associée à la force de cohésion des nucléons, la force nucléaire forte (protons et neutrons) au sein du noyau des atomes. Les transformations du noyau libérant cette énergie sont appelées réactions nucléaires. La force nucléaire faible, elle, régit les réactions entre particules et neutrinos ;
• au niveau macroscopique, l’énergie nucléaire correspond, d’une part à l’énergie libérée par les réactions de fusion nucléaire au sein des étoiles, d’autre part aux usages civils et militaires de l’énergie libérée lors des réactions de fission ou de fusion du noyau atomique.

Centrale nucléaire : les réacteurs nucléaires se situent dans les quatre petits bâtiments cylindriques au centre de l’image. Les quatre tours de refroidissement n’évacuent que de la vapeur d’eau non radioactive, c'est un refroidissement nécessaire pour maintenir la source froide de la machine thermique produisant l'électricité (Centrale du Bugey).

Comparaison des énergies nucléaire et chimique

Il est bien connu que l'énergie nucléaire est de l'ordre de un million de fois l'énergie chimique. On sait aussi qu'elle est d'environ 1% de l'énergie de masse donnée par la formule d'Einstein de l'énergie de masse (ici celle d'un proton) :

E_M = m_pc² = 938MeV

et celle de l'énergie chimique, moins connue, donnée par la constante de Rydberg issue de la théorie de Bohr de l'atome d'hydrogène :

.

C'est l'énergie nécessaire pour séparer un électron d'un proton. C'est aussi l'énergie de liaison de l'atome d'hydrogène. L'énergie nucléaire est généralement attibuée à une interaction hypothétique, la force forte. Il a été démontré ^[1] qu'elle s'exprime par une formule analogue aux précédentes et de valeur intermédiaire:

L'ordre de grandeur de cette énergie de séparation neutron-proton, est proche de l'énergie de liaison du deutérium ²H, 2,2MeV soit 1,1MeV par nucléon. Elle est la moitié de celle de la particule α qui est aussi l'hélium 4, ⁴He. Les noyaux du fer Fe et du nickel Ni sont les éléments chimiques qui ont la plus grande énergie de liaison nucléaire, légèrement inférieure à 9MeV. Connaissant les formules des énergies nucléaire et chimique, on en déduit l'ordre de grandeur de leur rapport

Les symboles utilisés sont :

Energie de masse E_M

Energie nucléaire E_N

Energie chimique E_C

Masse du proton: m_p = 938MeV

Masse de l'électron : m_e = 0,5MeV

Constante de structure fine :

Réactions nucléaires

L’énergie nucléaire est produite par les noyaux des atomes qui subissent des transformations, ce sont les réactions nucléaires. Ces réarrangements nucléaires conduisent à des configurations plus stables, le différentiel d’énergie (correspondant au différentiel de masse) constitue alors l’énergie libérée par la réaction. Les applications de l’énergie nucléaire s’appuient sur cette énergie. Les réactions nucléaires à la base des différentes applications sont détaillées ci-après.

Fission

Fission nucléaire

Lorsqu’un neutron percute le noyau de certains isotopes lourds, il existe une probabilité que le noyau impacté se scinde en deux noyaux plus légers. Cette réaction, qui porte le nom de fission nucléaire, se traduit par un dégagement d’énergie très important (de l’ordre de 200 MeV par événement, à comparer aux énergies des réactions chimiques, de l’ordre de l’eV).

Cette fission s’accompagne de l’émission de plusieurs neutrons qui, dans certaines conditions, percutent d’autres noyaux et provoquent ainsi une réaction en chaîne. Dans un réacteur nucléaire, cette réaction en chaîne se déroule à vitesse lente et contrôlée. Dans une bombe, elle se propage si rapidement qu’elle conduit à une réaction explosive.

L’importance de l’énergie émise dans la fission provient du fait que l’énergie de liaison par nucléon du noyau initial est plus faible que celle des noyaux produits (environ 7,7 MeV par nucléon pour les éléments lourds, contre 8,8 pour le fer). La plus grande partie de l’énergie se retrouve sous forme d’énergie cinétique des neutrons et des noyaux fils, énergie récupérée sous forme de chaleur dans les réacteurs.

Radioactivité

Un corps radioactif dégage naturellement un flux lentement décroissant de chaleur. Cette chaleur peut être utilisée pour engendrer de l’électricité pour de petits générateurs appelés générateurs thermoélectriques à radioisotope. Cette application est très onéreuse, et délicate à utiliser en raison du fort environnement radioactif. Elle n’est donc utilisée que pour de petites puissances, par exemple pour alimenter en énergie une sonde spatiale qui s’éloigne du Soleil, et ne peut utiliser les panneaux solaires photovoltaïques.

Fusion

Fusion nucléaire

La fusion nucléaire est une réaction où deux noyaux atomiques s’assemblent pour former un noyau plus lourd (par exemple un noyau de deutérium et un noyau de tritium s’unissent pour former un noyau d’hélium plus un neutron). La fusion des noyaux légers dégage une énorme quantité d’énergie provenant de l’interaction forte, bien plus importante que la répulsion électrostatique entre les constituants des noyaux légers. Ceci se traduit par un défaut de masse (cf. énergie de liaison ; E=mc²) ; le noyau résultant ayant une masse moins élevée que la somme des masses des noyaux d’origine.

Cette réaction n’est cependant possible qu’à des températures très élevées (plusieurs dizaines de millions de degrés) où la matière est à l’état de plasma. Ces conditions sont réunies au sein des étoiles ou lors de l’explosion d’une bombe à fission nucléaire, qui amorce ainsi l’explosion thermonucléaire (bombe H).

Actuellement, aucun appareillage ne permet de produire de l’énergie en contrôlant les réactions de fusion nucléaire. Des recherches sont en cours afin d’obtenir un plasma sur une durée suffisante, afin que l’énergie de fusion produite soit supérieure à celle investie dans le chauffage des particules. Des recherches sont actuellement menées dans un cadre international afin de développer l’usage civil de l’énergie de fusion nucléaire pour la production électrique.

Applications

Réactions nucléaires contrôlées

Cœur de réacteur nucléaire (EPFL)

Les applications de l’énergie nucléaire concernent, pour l’essentiel, deux domaines :

• la production d’électricité dans des centrales nucléaires ;
• la propulsion navale (principalement pour les flottes militaires, dans les sous-marins et les porte-avions).

Une autre application est la production d’isotopes radioactifs utilisés dans l’industrie (radiographie de soudure par exemple) et en médecine (médecine nucléaire et radiothérapie)

D’autres utilisations ont été imaginées, voire expérimentées, comme la production de chaleur pour alimenter un réseau de chauffage, le dessalement de l’eau de mer ou la production d’hydrogène.

Ces applications utilisent des réacteurs nucléaires (appelés aussi piles atomiques, lorsqu’il s’agit de faible puissance, d’usage expérimental et de production de radioisotopes).

Les réactions de fission nucléaires y sont amorcées, modérées et contrôlées dans le cœur : assemblage de combustible et de barres de contrôle traversé par un fluide caloporteur qui en extrait la chaleur. Cette chaleur est ensuite convertie en énergie électrique (ou en énergie motrice en propulsion navale) par l’intermédiaire de turbines (vapo-alternateurs).

Centrales nucléaires

La production d'électricité d'origine nucléaire atteint 2630 TWh en 2010^[2], soit 13,8 % de la production mondiale d'électricité^[3].

Production d'électricité d'origine nucléaire par pays en 2010

Le premier parc national de centrales nucléaires est celui des États-Unis (104 réacteurs nucléaires pour une puissance de 99 GW), puis de la France (59 réacteurs nucléaires pour une puissance de 63 GW). En proportion, la Lituanie est le second pays le plus dépendant de l’énergie nucléaire, avec 69,6 % de son électricité produite à partir du nucléaire selon l’AIEA, la France venant en première position avec 78 % de son électricité produite à partir du nucléaire^[4]. La production d’énergie nucléaire en Chine est en progression rapide à partir du milieu des années 2000. En 2004, elle est de 50 TWh^[5]. Actuellement elle dispose de 13 réacteurs d'une puissance de 10,8 GW et vise 40 GW pour 2020.

Propulsion navale

Les bâtiments à propulsion nucléaire utilisent un ou plusieurs réacteurs nucléaires. La chaleur produite est transmise à un fluide caloporteur utilisé pour générer de la vapeur d’eau actionnant :

• des turbines couplées aux hélices de propulsion (propulsion à vapeur) ;
• des turbines couplées à des alternateurs alimentant en énergie électrique tout le bâtiment, et éventuellement des moteurs électriques de propulsion (propulsion électrique).

Environ 400 navires à propulsion nucléaire existent dans le monde, très majoritairement militaires, surtout des sous-marins, mais aussi des porte-avions et des croiseurs, et quelques navires civils (des brise-glaces). Des cargos nucléaires ont également été expérimentés dans les années 1960 et 1970 (l’Américain NS Savannah, l’Allemand Otto Hahn et le Japonais Mutsu), mais leur exploitation ne s’est pas avérée rentable et ces expériences ont été abandonnées.

Les coûts d’investissement et d’exploitation de la propulsion nucléaire sont importants, ce qui ne la rend pas intéressante pour une utilisation civile. Elle n'est véritablement intéressante que pour un usage militaire, et particulièrement pour les sous-marins. Cette énergie apporte :

• une très grande autonomie permettant d’éviter en opérations la contrainte du ravitaillement en combustible (retour à un port ou ravitaillement à la mer). Sur les porte-avions, l’espace libéré par l’absence de soute à combustible, permet de consacrer plus de volume au stockage des munitions ou des aéronefs par exemple ;
• une propulsion totalement indépendante de l’atmosphère ;
  • alors que les sous-marins classiques sont contraints de remonter en surface (ou à l’immersion périscopique en utilisant un schnorchel) pour alimenter les moteurs Diesel en air (oxygène) et ainsi recharger leurs batteries électriques, après quelques dizaines d’heures de plongée aux moteurs électriques (quelques jours pour ceux dotés de propulsion AIP), les rendant ainsi détectables et vulnérables, les sous-marins à propulsion nucléaire peuvent rester plusieurs mois en plongée, préservant ainsi leur discrétion,
  • ils peuvent également soutenir dans la durée des vitesses importantes en plongée qu’un sous-marin classique ne pourrait maintenir plus de quelques dizaines de minutes sans entièrement décharger ses batteries.

La propulsion nucléaire apporte donc aux sous-marins un avantage déterminant, au point que l’on peut, en comparaison, qualifier les sous-marins classiques de simples submersibles.

Propulsion spatiale

Certains engins spatiaux comme Voyager ont déjà emporté des générateurs nucléaires pour alimenter leur système électronique. En revanche, la propulsion nucléaire, au cas où elle serait possible, n’est encore qu’envisagée. Elle aurait l’avantage de produire une poussée, certes faible, mais constante pendant tout le trajet, alors que les engins spatiaux actuels - sauf ceux utilisant l’énergie solaire et les moteurs ioniques - ne peuvent produire qu’une seule poussée initiale, ou quelques ajustements de trajectoire, à cause de la faible contenance de leurs réservoirs. C’est pourquoi on les nomme balistiques, et c’est aussi pour cela qu’il leur faut atteindre la vitesse de libération dès le départ. Sur de longs trajets, interplanétaires par exemple, cette accélération continue pourrait être globalement plus efficace que l’accélération initiale utilisée actuellement.

Réactions nucléaires explosives

La puissance de l'énergie nucléaire est dans ce cas utilisée comme explosif. Les puissances des bombes nucléaires vont de la kilotonne à la mégatonne d’équivalent TNT. L’énergie d’une explosion nucléaire est répartie essentiellement dans l’effet de souffle (onde de choc), l’effet thermique, l’effet d’impulsion électromagnétique et les radiations.

Types d’armes

Les armes nucléaires sont de deux types :

• les armes à fission ou « bombes A » : elles utilisent de l’uranium enrichi ou du plutonium, mis en condition critique par implosion sous l'effet d’un explosif classique ;
• les armes à fusion ou bombes thermonucléaires ou « bombes H ». Les conditions de température et de pression nécessaires à la réaction de fusion d’isotopes d’hydrogène (deutérium et tritium) est obtenue par l’explosion d’une « amorce » constituée par une bombe à fission au plutonium.

La bombe à neutrons est une variante de bombe thermonucléaire conçue pour maximiser la part de l’énergie émise sous forme de neutrons ; elle est supposée détruire les plus grandes formes de vie dans le voisinage de la cible, tout en provoquant un minimum de dégâts matériels.

Histoire

La première utilisation militaire d’une arme nucléaire (« bombe A ») a été en 1945, le largage de deux bombes sur les villes japonaises d’Hiroshima et de Nagasaki par l’armée américaine, afin de mettre un terme à la Seconde Guerre mondiale. Depuis, ce type d’armement n’a fait l’objet que d’essais expérimentaux (atmosphériques puis souterrains) puis de modélisations informatiques.

La bombe atomique a été à l’origine de la doctrine de dissuasion ou équilibre de la terreur qui a été développée durant la Guerre froide.

Doctrine d’emploi

Dans la doctrine d’emploi de la plupart des puissances nucléaires, on distingue :

• l’arme nucléaire stratégique, instrument de la doctrine de dissuasion nucléaire ou de « non-emploi », destinée à prévenir un conflit ;
• de l’arme nucléaire tactique, ou de bataille, susceptible d’être employée sur des objectifs militaires au cours d’un conflit. La précision des vecteurs aidant, ce type d’arme a conduit à la miniaturisation et aux faibles puissances (mini-nuke dans le jargon journalistique américain).

La doctrine française n’a jamais considéré l’emploi d’armes nucléaires à des fins tactiques. Des armes de relative faible puissance (missiles Pluton puis Hadès, aujourd’hui retirés, missiles de croisière ASMP) sont définies comme pré-stratégiques ; dans cette conception, ces armes ne servent qu’accessoirement à un but militaire sur le terrain, leur principal effet étant celui d’un « ultime avertissement », de nature politique, pour prévenir les dirigeants ennemis que les intérêts vitaux de la France sont désormais en jeu, et que le prochain échelon des représailles sera thermo-nucléaire.

Emploi civil

Le traité sur la non-prolifération des armes nucléaires prévoyait initialement que « les avantages des applications pacifiques de la technologie nucléaire, y compris tous les sous-produits technologiques que les États dotés d’armes nucléaires pourraient obtenir par la mise au point de dispositifs nucléaires explosifs, devraient être accessibles, à des fins pacifiques, à toutes les Parties au Traité, qu’il s’agisse d’États dotés ou non dotés d’armes nucléaires, »^[7] autorisant en droit des emplois civils de dispositifs nucléaires explosifs.

De tels explosifs nucléaires ont été envisagés pour réaliser rapidement des excavations importantes, comme le doublement du canal de Panama. Plus d'une centaine d'essais de ce type ont été réalisés en Union Soviétique^[8].

Ce procédé n'est plus envisagé depuis qu'il a été constaté qu'il conduit à des contaminations radioactives importantes, tant de l'excavation elle-même que du voisinage suite aux retombées radioactives qui en découlent.

Industrie du nucléaire

Pendant la Seconde Guerre mondiale, la production d'armes atomiques était la principale raison d'être de l'industrie nucléaire. Depuis les années 1970, cette industrie travaille aussi pour la production d'énergie^[9].

En comparaison à d'autres sources d'énergie, l'énergie nucléaire nécessite des investissements initiaux très importants, mais bénéficie d'un coût d'exploitation plus faible par kilowatt produit^[10], conduisant à un faible taux de rentabilité interne : l'investissement dans le nucléaire ne se conçoit que dans le cadre d'une politique à très long terme^[11]. Cette exploitation se poursuit sur des durées qui se chiffrent en dizaines d'années. Le coût de l'énergie nucléaire dépend fortement de la durée sur laquelle l'investissement initial est amorti, et la prolongation éventuelle de leur exploitation constitue un enjeu économique très important^[12],[13].

Le coût du combustible nucléaire est principalement dû à l'enrichissement de l'uranium et à la fabrication des éléments combustibles, qui nécessitent une technologie relativement complexe^[10]. La part du minerai d'uranium dans le coût de l'énergie est faible comparée à celles des énergies fossiles : l'énergie nucléaire est par elle-même la source d'une activité industrielle spécialisée. Pour les pays qui maîtrisent l'ensemble du cycle du combustible nucléaire, l'énergie nucléaire permet une indépendance énergétique nationale^[10].

La production d'énergie nucléaire est une activité de haute technologie, et qui demande un contrôle rigoureux et permanent^[14]. Ce contrôle est aussi bien le fait des autorités de sûreté nationales (Autorité de sûreté nucléaire pour la France) qu'internationales (comme l'AIEA, ou Euratom en Europe).

Débat sur l’énergie nucléaire

Les applications civiles de l’énergie nucléaire sont controversées en raison  :

• des risques d’accident nucléaire grave sur un réacteur nucléaire ou au cours du cycle du combustible ;
• de problèmes non résolus liés à la gestion à très long terme des déchets radioactifs, notamment en ce qui concerne le financement ;
• du risque de prolifération nucléaire ;
• du risque de terrorisme nucléaire par le détournement de matière radioactive pour l’utiliser comme toxique ou pour fabriquer une « bombe radiologique », ou par l’attaque directe d’un réacteur ;
• du coût économique de la filière de production de l’électricité nucléaire, de l’extraction des minerais à la gestion des déchets et au démantèlement nucléaire ;
• de réserves mondiales en combustibles limitées . Ces ressources exploitables dans les conditions économiques actuelles sont disponibles dans des ordres de grandeurs comparables aux ressources pétrolières et gazières (soit environ 60 ans à consommation constante) ;
• de la dépendance envers les pays producteurs d'uranium tous situés hors d'Europe ^[15].

Cependant, les partisans de l'énergie nucléaire avancent d'autres arguments :

• Les matières fissiles sont très répandues dans le monde, elles n'interviennent que de manière marginale dans le coût de l'énergie produite, et si l'on accepte un coût supérieur de l'énergie, les ressources potentielles (écorce terrestre, eau de mer) sont plus élevées que les ressources existantes pour les combustibles carbonés (charbon, gaz, pétrole).
• La filière de génération IV permettant la surgénération (surgénérateurs de type Superphénix), ainsi que les filières utilisant le thorium, ou les centrales à fusion, si elles étaient mises au point, pourraient alimenter la planète durant plusieurs milliers d'années au rythme de consommation actuelle.
• Les filières nucléaires produisent relativement peu de dioxyde de carbone qui est un gaz à effet de serre. Elles sont de ce fait incontournables dans l'optique d'une lutte contre le réchauffement climatique, tandis que les énergies fossiles en produisent énormément.
• Du côté de l'européisme, on estime également que le nucléaire permet de réduire la dépendance européenne au pétrole acheté aux pays du Golfe, et qu'il fait partie des outils permettant de construire une Europe relativement autonome et indépendante^[16].

Les risques et les coûts ne sont pas évalués de la même façon par les pro-nucléaires et les anti-nucléaires, qui se divisent aussi au sujet de l’utilité des applications nucléaires civiles et militaires, en particulier de la production d’électricité nucléaire et de l’opportunité d’une sortie du nucléaire civil.

Recherche dans le domaine de l’énergie nucléaire

• Les États-Unis, l’Union européenne, la Russie, le Japon, la Chine et la Corée du Sud se sont réunis autour du projet ITER, programme d’étude à long terme de la fusion nucléaire contrôlée. C’est un projet de recherche qui a pour objectif la construction et l’exploitation expérimentale d’un tokamak de grandes dimensions. Le réacteur sera construit à Cadarache en France. Ce projet explore une des branches de la fusion, la Fusion par confinement magnétique.

• Dans le cadre du Forum international génération IV, des études sont menées sur le développement de nouvelles filières de réacteurs nucléaires à fission. Le planning de ce programme international prévoit la mise en service industriel de ces réacteurs à l’horizon 2030-2040.

• L’étude du cycle du thorium est actuellement en cours et le thorium pourrait supplanter l’uranium actuellement utilisé, car les réserves en thorium sont plus importantes que celles d’uranium. Toutefois, le thorium naturel est composé à 100 % de l’isotope 232 qui n’est pas fissile mais fertile (comme l’uranium 238). Son utilisation est donc assujettie au développement de réacteurs surgénérateurs et des procédés chimiques de retraitement afférents.

• Il existe également des recherches sur la fusion par confinement inertiel, aux États-Unis qui expérimentent la méthode Z-pinch; ou en France qu'explorera le laser Mégajoule en construction près de Bordeaux^[17]

• Depuis Mars 1996, au Japon, un programme de recherche international doté d'un centre d'études des matériaux a pour objectif d'inventer les matériaux qui sauront résister à la fusion thermonucléaire , baptisé IFMIF^[18], .

Notes et références

Annexes

Articles connexes

• Centrale nucléaire | Liste des réacteurs nucléaires
• Déchet radioactif | Stockage des déchets radioactifs en couche géologique profonde
• Accident nucléaire | Liste des accidents nucléaires
• Énergie de désintégration
• Fission nucléaire

Liens externes

en Anglais

• International Energy Agency
• International Atomic Energy Agency

en Français

• Centre d'étude de l'énergie nucléaire, en Belgique

Bibliographie

• Jaime Semprun, La Nucléarisation du monde, éditions Gérard Lebovici, 1986. (ISBN 2-85184-172-6)
• Arnaud Michon, Le Sens du vent : Notes sur la nucléarisation de la France au temps des illusions renouvelables, éditions de l'Encyclopédie des Nuisances, 2010.
• Thierry Garcin, Le Nucléaire aujourd’hui, Paris : LGDJ, coll. « Axes », 1995.
• Géopolitique n^o 52 (numéro spécial), Le nucléaire : un atout maître, hiver 1995-1996.
• Mary Byrd Davis, La France nucléaire : matière et sites (2002), 340 p., format 21,9×15 cm (Site).
• Annie Thébaud-Mony, L’Industrie nucléaire : sous-traitance et servitude, éd. EDK et Inserm, 2000. (ISBN 2-85598-782-2)
• Claude Dubout, Je suis décontamineur dans le nucléaire, éd. Paulo-Ramand, 2009.

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