NUCLÉAIRE (ÉNERGIE)

NUCLÉAIRE (ÉNERGIE)

Après plusieurs décennies de recherches sur la constitution de la matière (cf. chimie NUCLÉAIRE), c’est la découverte de la fission du noyau atomique en 1939 qui a marqué véritablement le début de l’énergie nucléaire. Cette découverte provoqua d’abord un grand étonnement chez les scientifiques, car nul n’avait imaginé que l’édifice apparemment solide du noyau de l’atome pouvait éclater sous l’action d’un neutron quand il s’agissait du plus massif d’entre eux: l’uranium. On réalisa tout de suite que ce phénomène comportait une nouveauté radicale sur le plan énergétique: l’éclatement du noyau libérait une quantité d’énergie que l’on savait calculer et qui était des millions de fois supérieure à celle qui est produite par les atomes lors de réactions chimiques.

Il s’ensuivit une accélération passionnée des recherches. La mise en évidence, peu après, que deux ou trois neutrons étaient émis au cours de la fission permettait de concevoir la possibilité de réactions en chaîne. Grâce à celles-ci, on pouvait escompter passer de l’échelle atomique, n’intéressant que les laboratoires, à l’échelle pratique, susceptible d’applications industrielles et militaires. Dès le mois de mai 1939, des premiers brevets furent pris par l’équipe de Frédéric Joliot, Hans Halban et Lew Kowarski travaillant à Paris, tant sur des dispositifs qui préfiguraient les futurs réacteurs nucléaires que sur des réactions explosives. La Seconde Guerre mondiale conduisit à accroître considérablement ces travaux, mais en secret, et à mettre la priorité sur la mise au point de la bombe atomique.

L’énergie nucléaire fit alors son entrée brutale dans l’histoire avec les deux bombes qui détruisirent Hiroshima et Nagasaki les 6 et 9 août 1945. Elles mirent fin à la guerre, mais laissèrent des traces profondes dans les relations internationales et dans la conscience des peuples, impressionnés par la puissance effrayante de cette nouvelle arme. Les applications civiles qui se développèrent par la suite n’ont pu se dégager complètement d’une association avec ce premier usage dévastateur que certains qualifient de «péché originel» pour l’énergie nucléaire.

Après une période de gestation qui suivit la guerre, l’énergie nucléaire civile est devenue une réalité industrielle qui a pris son essor à partir des années 1960. L’utilisation civile de loin prépondérante est la production d’électricité à partir de grandes centrales électronucléaires qui équipent principalement les pays industrialisés.

En 1992, environ quatre cent trente centrales nucléaires réparties dans trente pays et dotées d’une puissance unitaire moyenne de l’ordre de 800 mégawatts ont fourni un peu plus de 2 000 térawattheures (1 térawattheure = 1 milliard de kilowattheures). Toutefois, la répartition dans le monde est très inégale puisque l’énergie nucléaire n’est mise en œuvre à grande échelle que dans certains pays industrialisés et principalement dans trois régions du monde: en Europe, en Amérique du Nord (États-Unis, Canada) et en Extrême-Orient (Japon, Corée du Sud et Taiwan). C’est dans cette dernière région que la croissance du parc nucléaire est aujourd’hui la plus marquée. En dehors de ces régions, quelques pays ont importé des centrales nucléaires construites par des groupes industriels étrangers et, parmi eux, seules l’Inde et la république populaire de Chine ont démarré une industrie nucléaire nationale. Les pays exportateurs de centrales nucléaires sont: les États-Unis, la Russie, la France, l’Allemagne, le Canada et, dans une moindre mesure, la Suède. Le Japon, qui construit ses propres centrales, pourrait se joindre à eux. Au total, près d’une centaine de centrales nucléaires ont été exportées dont cinquante par les États-Unis et vingt par l’ex-U.R.S.S.

La matière première, l’uranium, est assez répandue et extraite d’un minerai en général peu concentré (face=F0019 諒 1 p. 100).

On estime à 3,4 millions de tonnes les ressources exploitables actuellement connues pour une consommation annuelle d’un peu plus de 40 000 tonnes. Mais les réserves sont probablement plus importantes car les recherches ont été fortement ralenties du fait d’une actuelle surproduction. Les principaux pays producteurs sont, dans le monde occidental, le Canada (30 p. 100), les États-Unis (15 p. 100), puis l’Australie, la France, la Namibie, l’Afrique du Sud et le Niger. La France, pour sa part, dispose sur son territoire d’un peu moins de 60 000 tonnes de minerais, mais elle s’approvisionne en outre auprès du Niger, du Gabon et du Canada.

L’énergie nucléaire est aujourd’hui la principale des énergies nouvelles du XX^e siècle par la part qu’elle occupe (17 p. 100 en 1993) dans la production mondiale d’électricité et par l’importance industrielle des équipements industriels qu’elle a fait naître.

Qu’appelle-t-on énergie nucléaire?

Parmi les sources d’énergie utilisées par l’homme, celles qui proviennent de la combustion du charbon, du gaz et du pétrole sont devenues prépondérantes avec le développement de l’industrie. Cette énergie thermique est de nature chimique .

Au cours du XX^e siècle, on prit conscience de l’existence d’une autre source possible d’énergie provenant de transformations affectant les noyaux des atomes. L’énergie fournie par ces réactions, dites nucléaires , est beaucoup plus importante que celle qui est dégagée par des réactions chimiques. Ces réactions sont celles qui permettent en particulier d’expliquer l’énergie produite au sein du Soleil et des étoiles.

Il y a deux sortes de réactions susceptibles de produire de l’énergie nucléaire: la fusion et la fission. Celle qui se produit dans les étoiles, la fusion, qualifiée de thermonucléaire parce que les réactions ne se développent qu’à des températures très élevées, à des millions de degrés, n’est pas celle que l’homme sait encore maîtriser sur Terre malgré des recherches en ce sens (cf. énergie THERMONUCLÉAIRE). Mais on peut aussi obtenir de l’énergie nucléaire par fission . Cela est fait couramment dans les piles atomiques appelées plutôt aujourd’hui réacteurs nucléaires .

Les aspects techniques et les moyens de production

L’énergie nucléaire de fission résulte de la rupture de très nombreux noyaux atomiques dans un «combustible» à base d’uranium: elle se retrouve sous forme de chaleur produite par le freinage des produits de fission. À l’intérieur du cœur du réacteur, le combustible doit être ensuite refroidi par un liquide ou un gaz qui transporte cette chaleur vers des générateurs de vapeur, afin de faire bouillir de l’eau. La vapeur d’eau sous pression permet d’entraîner une turbine couplée à un générateur d’électricité. Ce qui est spécifique est donc la «chaudière nucléaire» composée du réacteur, du générateur de vapeur et des appareils (pompes ou soufflantes) destinés à faire circuler le liquide ou le gaz qui transporte la chaleur de l’un à l’autre.

La pièce maîtresse est le «réacteur nucléaire» qui est le foyer où est mise en œuvre de manière contrôlée la «réaction en chaîne». Le démarrage, les changements de puissance, le contrôle et l’arrêt de la réaction en chaîne sont commandés à distance par des «barres» formées d’une matière qui absorbe les neutrons. L’enfoncement plus ou moins profond de ces barres dans le cœur du réacteur commande le rythme de la réaction en chaîne.

Le combustible s’use progressivement par destruction des noyaux d’uranium et doit être renouvelé périodiquement. Une caractéristique essentielle des combustibles nucléaires est la très grande énergie que l’on peut en extraire, en comparaison avec celle qu’on obtient à partir des combustibles fossiles. Le rapport des énergies obtenues dans les deux cas avec des masses équivalentes peut théoriquement être de l’ordre du million, mais en pratique, dans les réacteurs actuels, on n’utilise qu’environ 1 p. 100 des noyaux d’uranium: on tire ainsi d’une tonne d’uranium une énergie équivalant à celle d’à peu près 10 000 tonnes de pétrole.

Il ne suffit pas d’extraire l’uranium de son minerai pour le mettre dans un réacteur. En effet, l’uranium naturel est un mélange de deux variétés différentes d’atomes (appelés «isotopes») dont les propriétés chimiques sont identiques, mais non les propriétés nucléaires. Or l’uranium 235, qui ne représente que 0,7 p. 100 du total, est plus facilement fissible que l’uranium 238. Si l’on a pu construire des réacteurs fonctionnant à l’uranium naturel, la grande majorité des réacteurs nucléaires utilisent aujourd’hui de l’uranium enrichi, obtenu en augmentant la teneur en uranium 235 jusqu’à environ 3 p. 100.

Le tri des isotopes de l’uranium est une opération difficile et coûteuse dont les méthodes ont été inventées pendant la Seconde Guerre mondiale. Depuis lors, un petit nombre de pays ont construit de grandes usines d’enrichissement de l’uranium à des fins civiles, produisant de l’uranium faiblement enrichi: outre les États-Unis et l’ex-U.R.S.S., la France, en association avec la Belgique, l’Italie et l’Espagne, possède sur le site du Tricastin une usine dont la capacité représente près de 30 p. 100 de la capacité mondiale. Le Japon est en passe de s’ajouter à la liste des producteurs d’uranium enrichi à des fins civiles.

Le combustible usé, déchargé du réacteur, est fortement radioactif: il est placé dans un premier temps dans des piscines pour laisser décroître une partie de la radioactivité. Certains pays considèrent actuellement ces combustibles usés comme des déchets ; d’autres préfèrent leur faire subir un traitement chimique pour séparer, d’une part, l’uranium qui subsiste, d’autre part, un élément nouveau, le plutonium qui s’est formé dans le réacteur par irradiation de l’uranium et, enfin, les déchets proprement dits, dont on ne voit pas aujourd’hui l’usage. Ce «retraitement» du combustible est effectué à l’heure actuelle pour les besoins civils dans de grandes usines spécialisées et télécommandées dont seuls quelques pays au monde sont équipés (France, Grande-Bretagne, Japon, Russie).

Le plutonium 239 formé est un produit fissile, qui peut servir à son tour comme combustible nucléaire. Dans presque tous les réacteurs actuels, la quantité de plutonium formé est sensiblement inférieure à celle de l’uranium détruit: si la fission du plutonium produit contribue à la production d’énergie, elle ne constitue qu’un appoint. Il existe un autre type de réacteurs, dits «à neutrons rapides», qui permettent de produire du plutonium en quantité variable, inférieure, égale ou même supérieure à celle qu’ils consomment: dans ce dernier cas, ils sont dits «surgénérateurs». La matière première servant à produire du plutonium est l’uranium 238, isotope peu fissile et le plus abondant (99,3 p. 100). Avec cette possibilité de transformer l’uranium 238 en plutonium, les réacteurs à neutrons rapides constituent une voie qui permet d’utiliser la totalité de l’uranium naturel. Ils peuvent constituer pour le futur une garantie contre le risque de pénurie d’uranium. Ces réacteurs permettent en outre l’incinération de certains déchets radioactifs à vie très longue (actinides).

L’industrie nucléaire est donc organisée autour de deux types d’activités: la construction des réacteurs et la fabrication des matériels qui équipent les centrales électronucléaires d’une part, l’extraction, le raffinage et l’élaboration des matières nucléaires dans les usines du «cycle du combustible» d’autre part.

Le nucléaire dans l’économie

Contrairement au coût de l’énergie produite par des combustibles fossiles, celui de l’énergie nucléaire est peu affecté par le prix de la matière première énergétique, l’uranium. Cette matière n’intervient en effet que pour moins de 5 p. 100 dans le coût du kilowattheure. En revanche, les centrales nucléaires mettent en jeu une technologie complexe et nécessitent des dépenses d’investissement plus élevées que celles d’une centrale thermique classique.

La maîtrise de la technologie confère un avantage beaucoup plus important au pays producteur que la présence sur son sol de mines d’uranium. On comprend pourquoi l’énergie nucléaire s’est développée dans les pays fortement industrialisés (cf. tableau).

De surcroît, l’énergie nucléaire n’est vraiment économique que si elle est produite dans de grandes centrales dont la puissance est dans la gamme des 600 à 1 500 mégawatts. Au-dessous de 300 mégawatts, le prix de revient de l’électricité produite est rarement compétitif; or les pays en développement n’ont pas l’usage de grandes centrales et n’ont souvent pas de réseau électrique de dimension suffisante pour écouler la production.

L’effet de taille joue un rôle encore plus important dans l’économie des usines de séparation isotopique (pour enrichir l’uranium) et dans celle des usines de retraitement qui sont parfois construites à l’échelle internationale. Par exemple, dans ces deux domaines, la France, avec les usines respectivement du Tricastin et de la Hague, dispose d’équipements qui non seulement satisfont aux besoins nationaux, mais permettent de répondre à des demandes de pays étrangers. Si l’on ajoute l’exportation des centrales nucléaires et la vente, plus récente, d’électricité aux pays voisins (environ 15 p. 100 de la production française en 1992), l’industrie nucléaire française est une industrie largement exportatrice.

Plus important encore pour l’équilibre mondial est le rôle de l’énergie nucléaire dans les rapports entre les pays dépourvus de ressources énergétiques nationales, comme la France et le Japon, et les pays exportateurs de pétrole, comme les pays du golfe Persique. Lors des crises pétrolières des années 1970, on a pu mesurer la vulnérabilité d’économies nationales trop dépendantes de leurs importations énergétiques. En France fut décidé, à côté d’économies d’énergie, un programme accéléré d’équipements nucléaires qui portèrent à 75 p. 100 la part de l’électricité produite à partir du nucléaire et permirent de ramener la dépendance énergétique de notre pays de 78 p. 100 à 50 p. 100. En substituant à une énergie importée une autre fondée sur une activité industrielle à forte valeur ajoutée, l’énergie nucléaire a une incidence favorable sur l’emploi et la balance des paiements des pays qui la développent. On estime à cent cinquante mille personnes les emplois directs liés à l’activité nucléaire en France.

Si la construction nucléaire fait appel à des secteurs traditionnels de l’industrie tels que la métallurgie, la grosse chaudronnerie, l’électromécanique, le génie chimique et l’électronique, elle exige en revanche le plus souvent des performances inhabituelles quant à la précision de fabrication, le contrôle de qualité et la fiabilité de fonctionnement. De ce fait, elle a un effet d’entraînement sur un secteur d’activités plus large que le nucléaire.

La sécurité et les risques nucléaires

À l’énergie nucléaire est associé un risque spécifique lié à la radioactivité. Cette dernière n’est pas un phénomène nouveau créé par l’homme, elle existe dans la nature depuis l’origine de la Terre et l’homme a toujours reçu sans dommage apparent une faible dose de rayonnement, avec des variations locales qui peuvent atteindre un facteur 10 et même davantage. Dans un réacteur nucléaire, les fragments de fission de l’uranium sont radioactifs avec émission intense de rayonnements dangereux, ainsi que le plutonium et la plupart des matériaux soumis au bombardement des neutrons. Il faut donc, d’une part, se protéger du rayonnement direct qui en provient, et, d’autre part, éviter la dispersion de matières radioactives en quantités susceptibles de créer un risque radiologique, par contamination de l’air ou des aliments.

Les mesures prises (étanchéité des circuits et des bâtiments, blindages faisant écran aux rayonnements) permettent de limiter, en fonctionnement normal, le surcroît de radioactivité au voisinage des installations nucléaires à une faible fraction de la radioactivité naturelle. Une attention particulière est portée aux déchets radioactifs produits par ces installations; les quantités n’en sont pas très importantes, ce qui permet de les trier et de les traiter. Les déchets de faible et de moyenne activité à vie courte, qui perdent leur nuisance en moins de trois cents ans, sont stockés en surface dans des centres spécialisés, tel le centre de l’Aube en France. Les déchets à vie longue (15 p. 100 du total), dont la durée de radioactivité se compte en centaines ou en milliers d’années, font l’objet d’un entreposage provisoire sous haute surveillance. Dans différents pays du monde, des études sont en cours pour s’assurer que, s’ils sont soigneusement enrobés puis enfouis à grande profondeur dans des roches convenablement choisies, ils ne pourront apporter dans l’environnement des stockages qu’une perturbation négligeable à la radioactivité naturelle ambiante.

Restent les accidents: une très grande attention a été portée, depuis le début, à la sûreté des installations et notamment des réacteurs nucléaires. Des méthodes efficaces ont été mises au point, combinant d’une part l’interposition de barrières successives entre les matières radioactives et l’environnement, d’autre part une «défense en profondeur» comportant de nombreux moyens de protection et de secours pour prévenir les accidents et, s’ils surviennent, pour en limiter les conséquences. Un élément essentiel du dispositif est constitué par l’enceinte de confinement, bâtiment robuste et étanche, calculé pour contenir la radioactivité en cas d’accident. Ces principes, respectés dans la plupart des pays, ont permis d’éviter des atteintes graves à l’environnement. L’accident de Tchernobyl (1986) fait exception, mais le réacteur de la centrale était d’une conception critiquable et ne disposait pas d’enceinte globale de confinement. En outre, l’organisation de la sûreté nucléaire dans l’ex-U.R.S.S. laissait beaucoup à désirer.

Des progrès sont encore attendus en matière de sûreté pour la prochaine génération de centrales nucléaires: simplification de la conduite, moindres conséquences des erreurs humaines, renforcement du confinement des matières radioactives.

Le débat nucléaire: enjeux et perspectives

Après un développement rapide favorisé par les crises pétrolières des années 1970, l’énergie nucléaire s’est heurtée à une opposition plus ou moins vigoureuse selon les pays, qui a réussi dans certains d’entre eux à arrêter son développement, parfois même à bannir la production de cette énergie. Aussi l’avenir du nucléaire se joue-t-il désormais pour une grande part dans sa capacité à se faire accepter par le public et à le convaincre de ses atouts. Au risque radiologique évoqué ci-dessus s’ajoute encore, pour les opposants, la crainte que le commerce de l’électronucléaire ne facilite la prolifération des armes: mais dans le passé les pays qui ont voulu se doter de l’arme atomique l’ont tous fait pour des motifs politiques, indépendamment des programmes énergétiques.

Il est possible toutefois que l’énergie nucléaire soit appelée à prendre une place importante parmi les énergies du futur. D’une part, plusieurs facteurs sous-tendent une croissance des besoins d’énergie électrique: l’accroissement de la population mondiale, l’augmentation de la consommation des pays en développement et la substitution progressive de l’électricité aux énergies fossiles dans certaines industries. À cet effet quantitatif s’ajoute d’autre part un souci de protection de l’environnement: les combustibles actuellement utilisés (bois, charbon, hydrocarbures) produisent tous du dioxyde de carbone dont le taux dans l’atmosphère a crû de 25 p. 100 depuis le début du siècle. Ce gaz est probablement le principal responsable de l’accroissement de l’«effet de serre» dont on craint à terme qu’il provoque une modification du climat et un réchauffement général de la Terre. La production d’énergie nucléaire permet aujourd’hui d’épargner l’émission d’environ 500 millions de tonnes de dioxyde de carbone, soit un sixième de l’augmentation annuelle.

Pour faire face à ce double défi – répondre aux besoins d’une population mondiale en croissance rapide tout en limitant les rejets dans l’atmosphère des gaz à effet climatique– , il sera nécessaire de mettre en œuvre tous les moyens disponibles, en commençant par la réduction des consommations excessives chaque fois que c’est possible. L’énergie nucléaire, qui ne produit pas de gaz à effet de serre, pourrait voir sa part, actuellement modeste (environ 6 p. 100 de l’énergie mondiale), croître très sensiblement sans prétendre résoudre à elle seule le problème quantitatif. Dans les pays développés, elle pourrait se substituer en partie à d’autres énergies qui seraient ainsi rendues disponibles pour les besoins de subsistance et de développement des autres pays.

Encyclopédie Universelle. 2012.