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L’énergie nucléaire : le fonctionnement d'une centrale

Dossier - L'énergie sous toutes ses formes
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L’énergie baigne notre monde, omniprésente dans notre quotidien et dans le débat public. Sans elle, pas un mouvement, pas de vie. Quelles énergies pour demain ? Quel impact sur le climat ? Quels défis techniques, quels risques ? Voici quelques éléments de réponse.

  
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La fission nucléaire et la fusion nucléaire produisent toutes deux de l'énergie. Leur cycle de fonctionnement n'émet pas de CO2. Pour autant, elles posent les questions du risque technologique et d'une possible mauvaise utilisation du combustible, qui méritent d'être regardées avec attention...

L'énergie nucléaire. © N509FZ, Wikimedia commons, CC by-sa 4.0

L’énergie issue de la fission nucléaire

La technologie nucléaire utilisée actuellement partout sur Terre se base sur la fission. Elle utilise les noyaux les plus massifs, dont les nucléons sont légèrement « trop lourds » par rapport à ceux des atomes de masse intermédiaire. La différence est très petite (moins de 1 % par nucléon) mais elle correspond à une énergie gigantesque, que l'on cherche à exploiter. Les 435 réacteurs nucléaires en service dans le monde en 2014 utilisent ce principe pour produire de l'électricité. Plus précisément, ils ne produisent pas directement de l'électricité mais de la chaleur. Cette chaleur est ensuite utilisée pour entraîner une turbine à vapeur qui, à son tour, alimente un grand générateur. La spécificité du nucléaire réside donc dans la première étape : produire de la chaleur à partir de réactions nucléaires.

L'énergie nucléaire fournit 13 % de la production mondiale d'électricité (données 2011), soit environ 5 % de la consommation totale d'énergie. En France, elle assure 76 % de la production électrique.

Sous sa forme actuelle, l'énergie nucléaire est basée sur la fission de l'uranium, plus précisément de son isotope le plus rare (l'uranium 235). Les réserves actuelles d'uranium permettraient d'alimenter la filière en combustible pendant environ 100 ans, au niveau de prix et de technologie actuel. Cette durée serait sensiblement allongée si on prenait en compte les réserves d'uranium plus coûteux. Si on exploitait également l'isotope d'uranium le plus abondant (l'uranium 238), la durée possible d'exploitation augmenterait au moins d'un facteur 100. Pour autant, ce n'est possible qu'avec les surgénérateurs qui sont capables de convertir l'uranium 238 en plutonium.

Schéma d’un réacteur nucléaire à eau pressurisée. La vapeur d’eau produite fait tourner une turbine qui entraîne à son tour un générateur. © Nuclear Research and Consultancy Group

Le coût d'investissement d'une centrale nucléaire est élevé (plusieurs milliards d'euros), mais les coûts d'exploitation sont bas. Les centrales nucléaires sont principalement adaptées pour fournir la « charge de base » d'électricité, pas pour répondre à des fluctuations rapides de la demande.

Les avantages de la fission nucléaire sont de diminuer la dépendance aux pays producteurs de gaz et de pétrole, d'être intéressante sur le plan économique et de ne pas émettre de CO2. La fission a l'inconvénient de permettre de mauvaises utilisations de l'énergie nucléaire (la prolifération). L'uranium 235 et le plutonium 239 (qui est produit automatiquement en petites quantités quand un réacteur fonctionne) peuvent servir à la confection d'une bombe nucléaire. Ceci dit, cela nécessite de produire de l'uranium nettement plus enrichi que celui qu'on trouve dans un réacteur, ou bien d'extraire le plutonium 239 du combustible nucléaire usagé.

Même si les réacteurs nucléaires modernes obéissent à tous les critères de sécurité, des accidents majeurs peuvent se produire en cas de panne du système de refroidissement. C'est principalement à cause de la chaleur résiduelle qui est produite même après l'arrêt du réacteur, comme l'a montré la catastrophe de Fukushima en 2011. Des réacteurs à sécurité intrinsèque sont en cours de développement, mais ils ne seront pas disponibles avant 2020.

Le traitement des déchets nucléaires reste un problème à résoudre, même si les quantités de déchets restent faibles : ils peuvent être stockés sans danger dans des mines de sel, d'argile ou de granite. Les inconvénients de l'énergie nucléaire doivent être soigneusement mis en balance avec l'effet des carburants fossiles sur le changement climatique.

La fusion nucléaire : quels avantages ?

La fusion nucléaire ne pourra pas contribuer à la production mondiale d'énergie avant 2050. Elle est toujours en phase expérimentale. Mais si sa faisabilité technique et économique est démontrée, son potentiel est énorme puisqu'elle utilise un carburant disponible pendant des milliards d'années. Un litre d'eau ordinaire contient suffisamment de deutérium pour produire l'équivalent en énergie de 200 litres de pétrole. Le combustible des réacteurs de fusion est abondant et disponible. Les réacteurs de fusion prendront sans doute la forme de grandes installations, comparables aux réacteurs de fission actuels produisant 1.500 MW d'électricité. Les problèmes liés au traitement des déchets seront probablement bien moindres pour les réacteurs de fusion que pour les réacteurs de fission actuels. Des accidents importants semblent peu probables avec la fusion.

Schéma d’Iter, le réacteur international de fusion en cours de construction près de Cadarache, dans le sud de la France. Notez le personnage en bas à gauche, qui donne une idée de la taille de la machine. © CEA

De nombreuses nations sont aujourd'hui impliquées en totale collaboration dans la recherche sur la fusion. Le réacteur expérimental Iter est le fruit de la coopération entre de nombreux pays : Chine, Corée du Sud, États-Unis, Europe, Inde, Japon et Russie.