Énergie nucléaire

L'énergie nucléaire est l'énergie localisée dans les noyaux des atomes et libérée lors d'une transformation de la structure de ceux-ci. Ces transformations de noyaux sont appelées réactions nucléaires.

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Sommaire

Les deux types de réactions nucléaires

Fission

Lorsqu'un neutron percute un noyau d'atome lourd, ce dernier peut être éclaté en deux noyaux plus légers. Cette réaction, qui porte le nom de fission nucléaire, dégage une quantité d'énergie très importante (de l'ordre de 200 MeV par fission à comparer aux énergies des réactions chimiques qui sont de l'ordre de l'eV). L'origine de cette énergie trouve son explication dans la balance des énergies de masse entre le noyau initial et les deux noyaux produits. L'énergie de fission est principalement transmise dans les produits de fission sous forme d'énergie cinétique, c'est à dire sous forme de chaleur. La chaleur produite lors de la fission de noyaux fissiles d'uranium 235 ou de plutonium 239 est utilisée pour transformer de l'eau en vapeur, permettant d'actionner une turbine pouvant produire directement de l'énergie mécanique ou, par l'intermédiaire d'un alternateur, de l'électricité. C'est cette technique qui est à l'œuvre dans les centrales nucléaires actuelles.

Dans le processus de fission, plusieurs neutrons (lents ou rapides) sont libérés et sont sources de nouvelles réactions : c'est la réaction en chaîne. Cette réaction est maîtrisée au moyen de poisons neutroniques (atomes neutrophages, qui absorbent les neutrons) comme le bore soluble (le B10 est un excellent neutrophage) ou comme les barres de régulation constituées de B4C ou d'AIC. Par ailleurs, les centrales nucléaires industrielles actuelles utilisent des neutrons lents comme source de la fission : un matériau modérateur (l'eau dans les centrales en France) va ralentir les neutrons rapides issus de la fission afin de permettre leur capture efficace par les noyaux fissiles.

Fusion

nb : Voir Tokamak pour une explication plus complète

La fusion de noyaux d'isotopes lourds de l'hydrogène (deutérium et tritium) aboutissant à la formation d'hélium n'est encore qu'expérimentale, car les conditions de fusion sont extrêmement difficiles à obtenir. L'obtention de la fusion nucléaire nécessite des conditions de température et de pression drastiques afin que les noyaux aient l'énergie suffisante pour vaincre la « barrière de potentiel » électrostatique qui existe entre eux.

Concrètement, on comprime et on chauffe (par diverses méthodes) le mélange deutérium-tritium jusqu'à ce qu'il soit a l'état de plasma. En terme de température, il faut atteindre 100 millions de degrés pour que la réaction de fusion ait lieu (nb : Le soleil se contente apparemment de 16 millions de degrés mais les pressions mise en jeux sont beaucoup plus importantes, et impossibles a reproduire sur terre). Si le deutérium est disponible naturellement en grandes quantités dans les océans (mais nécessite la mise en place de méthodes très complexes pour en être extrait), le tritium doit être préparé artificiellement car il ne se trouve qu'en très petite quantité dans le milieu naturel (de par sa nature d'isotope radioactif à courte durée de vie). L'intérêt de la fusion nucléaire est qu'elle peut potentiellement produire beaucoup plus d'énergie, à masse de combustible égale, que la fission. De plus, les produits de la réaction (principalement de l'hélium 4He) ne sont pas radioactifs. Il ne faut toutefois pas oublier que, comme toute réaction nucléaire, la fusion produit des neutrons qui vont aller frapper la matière environnante et créer des produits d'activations, eux-mêmes radioactifs.

Plusieurs méthodes permettant d'obtenir une fusion sont actuellement explorées :

Utilisation

Militaire

La première utilisation effective de l'énergie atomique (bombe A) a été le largage de deux bombes en 1945 à Hiroshima et Nagasaki. Depuis, ce type d'armement a uniquement été utilisé lors d'essais expérimentaux (atmosphériques puis souterrains). La bombe A (puis bombe H) a été à l'origine de la doctrine de la dissuasion ou équilibre de la terreur qui a été développée durant la Guerre froide.

Civile

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Centrale de Civaux (France)

La chaleur dégagée par la réaction de fission est utilisée pour produire de l'électricité.

Certains pays, comme la France, font également de l'énergie nucléaire le garant de leur indépendance énergétique. En 2003, en France, 80 % de l'électricité est produite grâce à cette source d'énergie. D'autres pays ont aussi un programme nucléaire important, notamment les États-Unis, la Grande-Bretagne et le Japon. Le parc français est le deuxième mondial avec 59 réacteurs, derrière les États-Unis, mais le premier en terme de proportion nucléaire/classique.

En 2003, la part du nucléaire dans la production d'électricité est de :

Répartition de la consommation selon la source d'énergie
(2001, hors importations et exportations)
Pays Nucléaire Hydrocarbures Charbon Énergies renouvelables
Allemagne 12,7 % 59,8 % 24,2 % 3,1 %
Canada 8,1 % 64,6 % 12,4 % 15,7 %
Chine 0,4 % 22,6 % 56 % 21,1 %
États-Unis 9,2 % 62,3 % 23, 9 % 4,6 %
France 41, 3 % 49,1 % 4,8 % 7 %
Italie _ 84,1 % 7,8 % 5,7 %
Japon 16 % 61,6 % 19,2 % 3,2 %
Royaume-Uni 10 % 71,5 % 16,9 % 1,1 %
Russie 5,8 % 73,7 % 17,2 % 3,5 %
(Source : Agence internationale de l'électricité)

Propulsion navale (militaire et civile)

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 (brise-glace russes).

L'avantage principal de la propulsion nucléaire réside dans la très grande autonomie des bâtiments qui peuvent rester de longs mois en mer, voire plusieurs années, sans ravitaillement en énergie. Pour les sous-marins, elle apporte aussi un moyen de propulsion qui ne consomme pas d'oxygène et donc la possibilité de rester en plongée beaucoup plus longtemps.

Plusieurs accidents ont affecté des sous-marins nucléaires. Le dernier en date est celui du Koursk.

Propulsion spatiale

Certains engins spatiaux comme Voyager ont déjà emporté des piles nucléaires pour alimenter leur électronique. Certains satellites ont également été munis de petits générateurs nucléaires. En revanche la propulsion nucléaire, au cas où elle serait possible, n'est encore qu'à l'état de projet. À poids égal, elle aurait l'avantage de produire une poussée, certes faible, mais constante pendant tout le trajet, alors que les engins spatiaux actuels ne peuvent produire qu'une seule poussée initiale après s'être extraits du lanceur (hors quelques ajustements de trajectoires) 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 les longs trajets, interplanétaires par exemple, cette accélération continue serait globalement plus efficace que l'accélération ponctuelle utilisée actuellement.

Idéalement, avec une accélération constante de 1g sur la première moitié du trajet et une décélération de 1g sur la seconde, les étoiles les plus proches sont à la portée d'un équipage en une dizaine d'années de voyage (temps du vaisseau), d'après la relativité générale. Toutefois, plusieurs siècles s'écouleraient à l'extérieur, ce qui pose des problèmes de motivation politique pour entreprendre un tel voyage.

Le débat sur la production nucléaire d'électricité

La production d'énergie nucléaire est controversée : à cause de la nature radioactive des réactifs et des déchets de la réaction de fission, celle-ci est potentiellement dangereuse pour les êtres vivants.

Positions favorables

Principaux avantages de l'énergie nucléaire avancés par ses défenseurs :

Au niveau international, l'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) est le principal promoteur de l'utilisation de l'énergie nucléaire. Face aux perspectives de développement des pays du tiers monde, l'AIEA estime que le nucléaire devrait devenir l'énergie de référence en Occident car elle serait la plus propre et la plus économique.

Certains soutiennent également que les pays les plus avancés en matière de nucléaire auraient intérêt à vendre l'énergie atomique aux pays en voie de développement, même dans le cadre de financement en coopération. Cela éviterait la dissémination de technologies nucléaires moins fiables, tout en constituant une importante source de rentrées monétaires pour l'économie occidentale. Par exemple, les Russes ont vendu deux réacteurs nucléaires à l'Inde (devant entrer en service en 2007).

Le stockage à long terme des déchets nucléaires est perçu par beaucoup, partisans ou opposants du nucléaire, comme le talon d'Achille de l'énergie nucléaire. Le réacteur nucléaire naturel d'Oklo, qui a produit des « déchets radioactifs », y compris du plutonium, lors de son fonctionnement il y a quelques centaines de millions d'années, est étudié pour comprendre les processus combinés de migrations et de disparition progressive des éléments radioactifs dans l'environnement, sur de longues durées. Des essais sont également réalisés en laboratoire ou sur les sites présumés de stockage.

L'objectif de ces études, menées en France par l'Andra et le CEA, est de démontrer la tenue dans le temps d'un stockage de déchets de haute activité. Il s'agit de démontrer que l'action combinée, d'une part, de la dégradation des emballages et la migration des éléments radioactifs dans l'environnement, d'autre part de la disparition progressive de ces mêmes éléments sous l'effet de leur radioactivité, ne conduit à aucun moment dans le futur à une dose radioactive à la population supérieure à la dose admissible. Cette dose admissible est elle même une fraction de la radioactivité naturelle à laquelle est soumise cette même population.

L'importance réelle du problème des déchets radioactifs et de leur gestion est l'objet d'un débat entre partisans et opposants au nucléaire. D'après le CEA, la France produit environ 60 000 tonnes de déchets radioactifs par an, soit un kg par an et par personne, dont 5 grammes sont des déchets de haute activité, à comparer à environ 10 kg de déchets industriels toxiques. Ces quantités sont contestées par les opposants au nucléaire.

Outre l'aspect technique de la stabilité d'un stockage de longue durée, la gestion des déchets nucléaires comporte un volet social et politique délicat à gérer.

Positions défavorables

Principaux inconvénients de l'énergie nucléaire avancés par ses opposants :

Cette opposition s'est renforcée depuis les deux accidents de Three Mile Island (1979, bien qu'elle n'ait fait aucune victime officielle) et de Tchernobyl (1986), dont les conséquences ont été beaucoup plus graves (toute une région désormais interdite). Les promoteurs du nucléaire affirment que les contrôles de sécurité ont maintenant été perfectionnés, mais l'ouverture des marchés et les restrictions budgétaires entraînent, de l'aveu même des syndicats de salariés des centrales, une aggravation du risque nucléaire.

Les déchets à longue période sont considérés comme problématiques car vus comme un héritage indélicat - voire empoisonné - laissé aux générations futures. Même si les quantités produites sont faibles comparées aux déchets d'autres activités, leur caractère dangereux impose de prévoir leur gestion sur plusieurs centaines d'années pour les moins dangereux. Dans le cas du plutonium, la disparition de la radioactivité demande des centaines de milliers d'années, du fait que le plutonium est très peu radioactif. Il est en revanche très toxique pour l'organisme. Le réacteur naturel d'Oklo a produit beaucoup de plutonium naturel, qui a entièrement disparu depuis (tellement bien qu'on avait d'ailleurs longtemps cru que le plutonium n'existait pas dans la nature).

Des problèmes de maintenance se posent parfois sur des déchets dont le contenant se dégrade avant le contenu ou des sites d'enfouissement qui ne prévoient pas de possibilités de réversibilité.

Une opposition politique à l'énergie nucléaire affirme qu'elle impose une société centralisée, où la gestion et la distribution de l'énergie n'est pas aux mains des citoyens. Les arguments soutenus sont les suivants :

Un slogan historique des opposants, "société nucléaire, société policière", s'est vu confirmé en 2003 par un arrêté pris par le gouvernement français, dit "arrêté secret défense", qui fait peser sur les militants antinucléaires le risque de lourdes peines de prisons et d'amendes s'ils font connaître publiquement certaines informations sur le nucléaire.

Positions des gouvernements

Après les accidents énumérés dans la partie précédente, nombreux sont les pays qui se sont détourné des centrales nucléaires, comme l'Allemagne. Cependant celle-ci est obligée d'importer de l'électricité, avant même d'avoir éteint sa première centrale, en attendant les effets de sa politique de développement des énergies renouvelables. On peut aussi constater, alors qu'elle prend cette décision pour des motifs écologiques, qu'elle importait en 2003 135 millions de tonnes de pétrole, soit plus de 12 % de plus par habitant que la France. De plus, l'Allemagne achète actuellement une grande quantité d'électricité à la France, électricité qui est produite grâce aux centrales nucléaires.

Quelques pays, dont la France et la Corée du Nord, n'ont jamais arrêté de construire des centrales. On assiste depuis quelques années à une relance des programmes de construction des centrales nucléaires, et ce bien que les mines d'uranium ne couvrent que 65 % des besoins (la différence étant comblée par la conversion d'uranium militaire (bombes atomiques) en uranium civil), et malgré le triplement du prix de l'uranium de 2000 à 2004. Des pays du tiers monde (Iran, Inde, Chine) se sont tournés vers cette énergie qu'ils estiment plus économique. Récemment, la Finlande, pays traditionnellement soucieux d'écologie, a décidé de construire un EPR afin de pouvoir respecter le protocole de Kyoto.

Le Japon a remis en route en 2002 les centrales nucléaires qu'il avait arrêté, ce qui lui a permis dès 2003 de réduire ses importations de pétrole. D'autres pays émergents, Chine, Inde, Brésil, se tournent également vers l'énergie nucléaire. La Chine, qui doit faire face à une très forte augmentation de la demande en énergie, envisage la construction de 36 tranches nucléaires de 1000 MW dans les 15 ans à venir. Cela porterait de 1,7 à 4 % la part du nucléaire dans la consommation chinoise d'électricité (qui dans l'intervalle serait multipliée par 2,3). Les Chinois ont présenté en octobre 2004 un nouveau réacteur de la filière graphite-gaz de conception chinoise. Cela permettra de limiter les importations de charbon, qui doivent doubler tous les 30 à 36 mois, et la pollution atmosphérique subséquente.

Le Brésil, qui possède d'importantes réserves de minerai d'uranium, envisage de développer ses capacités en construisant une nouvelle tranche nucléaire sur le site d'Angra dos Reis (près de Rio de Janeiro) et en assurant par une technologie purement nationale l'enrichissement de l'uranium.

Enfin, les États-Unis ont actuellement 27 réacteurs nucléaires en construction, et 37 autres sont annoncés.

Remarques

L'avenir de l'énergie nucléaire

Les pays les plus industrialisés se sont réunis autour du projet ITER, programme d'étude à long terme de la fusion nucléaire à des fins d'utilisation énergétique. Ce projet voit la France et le Japon début 2004 se disputer l'hébergement du projet.

C'est un projet de recherche fondé sur la fusion nucléaire, qui est utilisée avec la bombe H. Cependant, certains éléments atomiques nécessaires à son fonctionnement ne sont pas présents sur terre dans des concentrations exploitables.

La fusion ne constitue pas pour le moment, même sur le plan théorique, une énergie propre : elle se traduit par une émission de neutrons transformant en isotopes parfois radioactifs les noyaux des atomes qui les capturent (parois voisines, par exemple), cependant la radioactivité induite est négligeable par rapport aux centrales à fission. Par ailleurs, la question de la dissipation thermique reste exactement la même que pour les centrales classiques.

Voir aussi

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Wikimedia Commons possède des documents multimédia sur l'énergie nucléaire.

Liens externes

See also: Énergie nucléaire, 1945, 1979, 1986, 2002, 2003, 2004