Énergie nucléaire

Fission nucléaire.

Lorsqu’un neutron percute le noyau de certains isotopes lourds, il existe une probabilité que le noyau percuté 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 dans des conditions stables, à vitesse lente et contrôlée. Dans une bombe, où la matière est placée brusquement très loin de son domaine de stabilité, la réaction se multiplie si rapidement qu’elle conduit à une réaction explosive.

L’importance de l’énergie émise lors de 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. D'après le CEA, l'énergie produite par 1 kg d'uranium naturel dans un réacteur nucléaire est égale à l'énergie de 10 tonnes équivalent pétrole (tep)[2]. Selon les observations récentes d'ondes gravitationnelles[3], cette énergie de liaison provient de la conversion d'énergie gravitationnelle en énergie cinétique, puis en énergie de liaison[4] lors de la formation d'éléments lourds par processus r au cours de la coalescence de deux étoiles à neutrons (un phénomène aussi appelé kilonova).

Fusion nucléaire.

La fusion nucléaire est une réaction dans laquelle 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 quantité considérable 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 (voir énergie de liaison et E=mc²), le noyau résultant ayant une masse moins élevée que la somme des masses des noyaux d’origine.

Cette réaction n’a lieu 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, lors de l’explosion d’une bombe à fission nucléaire qui amorce ainsi l’explosion thermonucléaire (bombe H), ou dans des réacteurs nucléaires expérimentaux.

En 2021, aucune installation ne permet une production nette d’énergie par le contrôle de 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. En particulier, le projet international ITER fédère des chercheurs pour développer un usage civil de cette énergie. L'assemblage de ce réacteur a débuté le juillet 2020 à Saint-Paul-lès-Durance en France et ses premiers essais devraient avoir lieu en 2025[5].

L'énergie nucléaire 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) :

${\displaystyle E_{M}=m_{\mathrm {p} }c^{2}={\rm {938\;MeV}}}$ .

C'est l'énergie nécessaire pour séparer un neutron d'un proton[6]. C'est aussi l'énergie de liaison du noyau de l'atome d'hydrogène.

Elle est de l'ordre de un million de fois de celle de l'énergie chimique qui est moins connue et donnée par la constante de Rydberg issue de la théorie de Bohr de l'atome d'hydrogène :

${\displaystyle E_{C}=R_{y}={\frac {1}{2}}\alpha ^{2}m_{\mathrm {e} }c^{2}={\rm {13{,}6\;eV}}}$.

L'énergie nucléaire est généralement attribuée à une interaction hypothétique, la force forte. Une théorie développée sur la force de cohésion des noyaux des isotopes de l'hydrogène indique[7] qu'elle peut s'exprimer par une formule analogue aux précédentes et de valeur intermédiaire :

${\displaystyle E_{N}={\frac {1}{2}}\alpha m_{\mathrm {p} }c^{2}={\rm {3{,}5\;MeV}}}$

L'ordre de grandeur de cette énergie de séparation neutron-proton est proche de l'énergie de liaison du deutérium ²H, 2,2 MeV, soit 1,1 MeV par nucléon. Elle est la moitié de celle de la particule ${\displaystyle \alpha }$ 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 9 MeV.

Connaissant les formules des énergies nucléaire et chimique, on en déduit l'ordre de grandeur de leur rapport :

${\displaystyle {\frac {E_{N}}{E_{C}}}={\frac {m_{\mathrm {p} }}{\alpha m_{\mathrm {e} }}}=137\times 1\,836=250\,000}$

• Ce résultat peut être obtenu de façon simple. En effet le rayon de Bohr caractérisant l'énergie chimique, celle de l'atome d'hydrogène, est

${\displaystyle a_{0}={\frac {\varepsilon _{0}h^{2}}{\pi m_{\mathrm {e} }e^{2}}}={\rm {53\;pm}}}$.

Le rayon d'un nucléon n'est pas une constante universelle mais le rayon de Compton du proton,

${\displaystyle R_{P}={\frac {\hbar }{m_{\mathrm {p} }c}}={\rm {0{,}21\;fm}}}$

est assez voisin du rayon du proton, 1 fm, en est une. Le rapport du rayon de Bohr à celui du proton est alors de l'ordre de 50 000.

Selon la loi de Coulomb, l'énergie électrostatique est en raison inverse du rayon. Faisons le rapport :

${\displaystyle {\frac {a_{0}}{R_{P}}}={\frac {\frac {\varepsilon _{0}h^{2}}{\pi m_{\mathrm {e} }e^{2}}}{\frac {h}{2\pi m_{\mathrm {p} }c}}}={\frac {\varepsilon _{0}hm_{\mathrm {p} }c}{m_{\mathrm {e} }e^{2}}}={\frac {m_{\mathrm {p} }}{2m_{\mathrm {e} }\alpha }}}$

On obtient la formule donnée plus haut, divisée par 2.

En fait ce calcul ne donne que l'ordre de grandeur du rapport des énergies nucléaire et chimique, ce qui est déjà bien puisque personne n'a rien trouvé d'équivalent jusqu'à présent, d'autant que l'énergie de liaison par nucléon varie de 1 MeV pour l'hydrogène lourd à près de 10 MeV pour le fer.

Les symboles utilisés sont :

Énergie de masse ${\displaystyle E_{M}}$

Énergie nucléaire ${\displaystyle E_{N}}$

Énergie chimique ${\displaystyle E_{C}}$

Énergie du proton : ${\displaystyle m_{\mathrm {p} }={\rm {938\;MeV}}}$

Énergie de l'électron : ${\displaystyle m_{\mathrm {e} }={\rm {0{,}5\;MeV}}}$

Constante de structure fine : ${\displaystyle \alpha ={\frac {e^{2}}{2\varepsilon _{0}hc}}={\frac {1}{137}}}$

L'énergie nucléaire est une fraction évaluée habituellement à 1 % de l'énergie de masse d'Einstein, ce qu'on retrouve avec un coefficient de 1/137 obtenu par un calcul basé sur la loi de Coulomb où le potentiel est en 1/r.

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 (sous-marins et porte-avions) et pour quelques navires civils, notamment des brise-glaces.

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 nucléaire y sont amorcées, modérées et contrôlées dans le cœur, soit l'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 pour la propulsion navale) par l’intermédiaire de turbines (vapo-alternateurs).

Les 441 réacteurs en fonctionnement au 4 juillet 2020 totalisent une puissance installée de 390 220 MW, dont 97 154 MW (24,9 %) aux États-Unis, 62 250 MW (16 %) en France, 45 518 MW (11,7 %) en Chine, 31 679 MW (8,1 %) au Japon (33 réacteurs dont seulement 9 ont été autorisés à redémarrer), 28 437 MW (7,3 %) en Russie et 23 172 MW (5,9 %) en Corée du sud[8].

Les 54 réacteurs en construction dans 19 pays totalisent une puissance de 57 441 MW, dont 10 564 MW (18,4 %) en Chine, 5 380 MW (9,4 %) aux Émirats arabes unis, 4 824 MW (8,4 %) en Inde, 4 525 MW (7,9 %) en Russie et 3 260 MW (5,7 %) au Royaume-Uni[9].

Production d'électricité d'origine nucléaire par pays (2012).

Pourcentages de production d'électricité d'origine nucléaire par pays (2012).

La production d'électricité des centrales nucléaires a atteint un pic de 2 661 TWh en 2006 ; après une chute à 2 346 TWh en 2012 consécutive à l'accident nucléaire de Fukushima, elle est remontée progressivement à 2 586 TWh en 2019[10].

La part du nucléaire dans la production mondiale d'électricité était de 10,3 % en 2017 contre 3,3 % en 1973. Les principaux pays producteurs d'électricité nucléaire sont les États-Unis (31,8 % du total mondial), la France (15,1 %), la Chine (9,4 %), la Russie (7,7 %) et la Corée du sud (5,6 %)[11].

À la suite de l'accident nucléaire de Fukushima, la production d'électricité d'origine nucléaire a chuté de 2 518 TWh en 2011, soit 13,5 % de la production mondiale d'électricité, à 10,8 % en 2012[12], puis se maintient à environ 11 % jusqu'en 2015[13].

La France est le pays dont la part d'électricité d'origine nucléaire est la plus élevée en 2019 (70,6 %), suivie par la Slovaquie (53,9 %), l'Ukraine (53,9 %), la Hongrie (49,2 %) et la Belgique (47,6 %). Cette production en Chine est en progression rapide depuis le milieu des années 2000, elle atteint 330 TWh en 2019, soit 4,9 % de la production électrique du pays. Les plus gros producteurs sont les États-Unis (809 TWh), la France (382 TWh), la Chine, la Russie (195,5 TWh) et la Corée du sud (139 TWh)[14].

Le 28 novembre 2018, la Commission européenne publie une communication proposant une stratégie énergétique à long terme (2050) axée sur la décarbonation de la consommation d'énergie, réduisant les émissions de 90 % d'ici 2050 par la combinaison de mesures d'amélioration de l'efficacité énergétique, d'augmentation de la part de l'électricité dans la consommation finale d'énergie (53 % en 2050 contre 20 % en 2017) ; elle prévoit une utilisation accrue du nucléaire (15 % de la production d'électricité en 2050) à côté des énergies renouvelables (80 % en 2050)[15].

Le réacteur de troisième génération de type AP1000 a été mis en service en juin 2018, dans la Centrale nucléaire de Sanmen (Zhejiang, Chine)[16].

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, principalement 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 la rend rarement 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.

Les sondes Voyager I et II 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.

Le gouvernement américain a accordé une enveloppe de 125 millions de dollars à la NASA pour concevoir une fusée propulsée grâce à un réacteur nucléaire qui chauffe un fluide, en général de l'hydrogène liquide, à très haute température ; ce fluide est éjecté via un conduit à l'arrière du moteur, créant ainsi une poussée permettant de propulser la fusée Cette technologie pourrait considérablement diminuer les temps de trajet. L'agence spatiale américaine espérerait pouvoir exploiter le futur moteur nucléaire dès sa mission lunaire de 2024, et surtout pour l'objectif Mars en 2033[17]^,[18].

Essai nucléaire anglais du 11 octobre 1956.

La puissance de l'énergie nucléaire est dans ce cas utilisée comme explosif. L'échelle de l'énergie totale dégagée par les bombes nucléaires va 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.

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) sont obtenues 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.

La première utilisation militaire d’une arme nucléaire (« bombe A ») a été en 1945, les 6 et 9 août, 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 nucléaires 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.

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.

L'Inde et la Chine sont les pays où le nucléaire se développe le plus en 2019, mais les États-Unis comptent encore le plus grand parc nucléaire au monde[36]. Cependant, un seul réacteur nucléaire y a été mis en service depuis 30 ans (Watts Bar 2, dans le Tennessee, 1 200 MW connectés au réseau en 2016) alors que huit tranches ont été arrêtées de 2013 à 2019 (la dernière étant Pilgrim 1, dans le Massachusetts, fin mai 2019) ; et seuls deux projets sont annoncés : les tranches 3 et 4 de la centrale de Vogtle, en Géorgie, qui devraient être dotées de réacteurs de troisième génération de type AP100 en 2021 et 2022[36]. Les premiers de ces nouveaux réacteurs ont été lancés sur les sites de VC Summer en Géorgie et de Vogtle en Caroline du Sud, chacun doté de deux réacteurs AP1000, mais en juillet 2017 le projet de VC Summer a été abandonné (centrale nucléaire de Virgil Summer). De plus, ces deux projets en cours ont subi des problèmes techniques, retards et dépassements et budget (27 milliards de dollars évoqués en 2019) à l'image de ceux de l'EPR européen à Flamanville en France, et à Olkiluoto en Finlande[37].

Dans le même temps, le « boom du gaz de schiste », dû la technologie de la fracturation hydraulique, a fait chuter les prix du gaz et de l'énergie, impulsant une multiplication de centrales à cycle combiné gaz. Quatre réacteurs nucléaires ont fermé en 2013 pour manque de compétitivité et un cinquième fin 2014. Cependant, le prix du gaz devrait augmenter à moyen ou long terme, rendant alors le nucléaire plus compétitif, surtout si des normes d'émissions de CO₂ plus sévères sont instituées. Dans le même temps le coût des énergies solaires et éoliennes a aussi beaucoup baissé. En mars 2017, le premier fabricant de réacteurs nucléaires, équipant plus de 50 % des réacteurs au monde, Westinghouse, a été placé en faillite[38]. Des investisseurs ont récemment montré un grand intérêt pour les réacteurs modulaires à sels fondus (MSR pour Molten Salt reactors), qui pourraient remplacer les centrales à charbon appelées à fermer à cause des réglementations sur la pollution de l'air ; mais plusieurs sociétés développant ce concept ont réduit leurs programmes faute de perspectives de déploiement à court terme[39].

En 2019, l'Agence internationale de l'énergie (EIA) estime que l'électricité nucléaire pourrait aux États-Unis chuter de 17 % en 2025 par rapport au niveau de 2018, perte qui sera « largement compensée par (la hausse de production) des nouvelles centrales au gaz naturel, éoliennes et solaires »[36]. En août 2019, l'administration Trump crée, en soutien à la filière nucléaire, le National Reactor Innovation Center (NRIC), un centre dédié au « déploiement de réacteurs avancés » dans le secteur privé en lui ouvrant les laboratoires publics américains, pour y valider de nouveaux systèmes et accélérer l'obtention de licences et la commercialisation de ces réacteurs, dont les petits réacteurs modulaires (small modular reactors, SMR) et autres micro-réacteurs[36]. L'administration Trump a aussi pris des mesures législatives visant à lever les freins à l'expérimentation de nouvelles solutions nucléaires[36].

• Cour des Comptes Les coûts de la filière électronucléaire - Rapport public thématique, janvier 2012.

• Autres références

• Centrale nucléaire · Liste de réacteurs nucléaires
• Déchet radioactif · Stockage des déchets radioactifs en couche géologique profonde
• Accident nucléaire · Liste d'accidents nucléaires
• Énergie de désintégration
• Fission nucléaire
• Débat sur l'énergie nucléaire
• Radioactivité

• Centre d'étude de l'énergie nucléaire, sur le site sckcen.be
• (en) International Energy Agency, sur le site iea.org
• (en) International Atomic Energy Agency, sur le site iaea.org
• Greenpeace : Campagne anti-nucléaire, sur le site de greenpeace.org

• 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.
• Jean-Jacques Delfour, La Condition nucléaire : réflexions sur la situation atomique de l'humanité, éditions l'Echappée, 2014.
• Yves Lenoir, La Comédie atomique. L'histoire occultée des dangers des radiations, éditions La Découverte, 2016 (ISBN 9782707188441).

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