Energie nucléaire, production d'électricité

L'emploi de l'énergie nucléaire à des fins civiles et militaires est un sujet clivant. La France a choisi, dès 1958 sous la présidence du Général de Gaulle, de doter notre pays de l'arme atomique pour assurer sa défense en cas d'attaque par un état extérieur, à l'époque l'Union Soviétique; et pour ne pas dépendre seulement des Etats-Unis et de l'alliance nord atlantique (l'OTAN) créée en 1949, pour assurer la sécurité de l'Europe, suite à la 2è guerre mondiale 1939-1945 avec l'Allemagne nazie et Adolf Hitler (*). La composante civile de ce choix militaire fut ensuite le développement d'un programme de centrales de production d'électricité par la fission nucléaire. Ce développement fut accéléré par la première crise du pétrole en 1973 et par la volonté d'assurer une indépendance de la France en matière d'énergie.

(*) L'arme atomique dont la France s'est dotée constitue ce qu'on appelle la dissuasion nucléaire: "protéger la France et les Français contre toute menace d’origine étatique contre nos intérêts vitaux, d’où qu’elle vienne et quelle qu’en soit la forme." Cette dissuasion est assurée par 300 ogives nucléaires, pouvant être déployées par des sous marins nucléaires lanceurs d'engins (SNLE, il y en a 4) et par des avions Rafale et des avions ravitailleurs. Voir les liens dédiés dans les sources.

Je veux maintenant parler de l'énergie nucléaire pour la production d'électricité, sans prendre parti "pour ou contre" puisqu'il s'agit d'un sujet de société très clivant, tant sur le plan technique que politique.

1: Les centrales et les réacteurs:
situation en 2024 après la fermeture des 2 réacteurs de Fessenheim en Alsace, les plus anciens

Il y a en France 18 centrales de production réparties sur tout le territoire pour assurer la fourniture d'électricité via un réseau de lignes haute-tension, et 56 réacteurs nucléaires d'une capacité totale de 61.4GWe:

Ce sont 32 réacteurs de 900 MWe, 20 réacteurs de 1300MWe et 4 réacteurs de 1450MWe. Ce parc industriel est vieillissant et d'âge varié - 38 ans d'âge moyen; les réacteurs les plus anciens ont été mis en service entre 1975 et 1980. Les deux réacteurs les plus anciens mis en service en 1974 ont été arrêtés en 2020.

Carte des 18 centrales et 56 réacteurs avec leurs années de mise en service industriel

Tous les réacteurs sont de la technologie dite de 2è génération (2G ou REP pour Réacteur à Eau Pressurisée ou PWR en anglais pour Pressurized Water Reactor): le réacteur nucléaire est une cuve en acier revêtue d’une peau en acier inoxydable, remplie du combustible nucléaire où se produit la fission nucléaire avec production de chaleur.

Le réacteur est refroidi par de l'eau pressurisée (à très haute pression 155 bars et 300°) dans un circuit fermé primaire qui produit de la vapeur dans un circuit secondaire; avec cette vapeur on fait tourner des turbines et un générateur d'électricité. La condensation de la vapeur se fait soit par refroidissement direct (prise d'eau dans un fleuve comme sur cette figure):

ou par des tours de refroidissement comme ici. Le reacteur et le système de refroidissement primaire sont placés dans le bâtiment du réacteur. Les turbines et l'alternateur sont placés dans un autre bâtiment.

Exemple ici bâtiments des 2 réacteurs de Fessenheim le long du Rhin

La puissance électrique s'exprime en GWe (giga watts électrique). 1 GWh = 1 millard de KWh. Mais la puissance totale est celle de la vapeur qui doit être condensée à la sortie des turbines. Compte tenu du rendement lié à la 2è loi de la thermodynamique qui est considéré de 33%, on ne récupère que 33% de l'énergie produite; on définit aussi le coefficient d'énergie primaire qui est l'inverse de ce rendement, soit 1/0.33 = 3/1. Par comparaison, une centrale thermique charbon a un rendement de 37% et un coefficient d'énergie primaire de 2.58 (1/0.37). Vu l'énorme production de chaleur par la fission nucléaire, ce point n'est pas important.

Fonctionnemnt d'un réacteur REP

Un 57è réacteur est en construction à la centrale de Flamenville en Normandie à l'ouest du Cotentin. Ce réacteur est dit 3G, de 3è génération ou EPR pour Evolutionary Power Reactor. C'est un réacteur évolutionnaire, aux capacités de production plus élevées 1600MWe et surtout de sécurité très accrue, pour éviter la fusion de la cuve du réacteur. Ceci en réponse aux 2 accidents graves qui se sont produits: en 1986 à Tchernobyl en Ukraine du temps de l'URSS, (le plus grave) et surtout en 2011 à Fukushima Japon suite à un tsunami. Par les connaissances acquises de l'accident de Fukushima, publiées par l'UNSCEAR, l'IRSN a adopté en France le concept du noyau dur dans les centrales EDF.

Réacteur EPR

L'EPR le fiasco d'EDF

A noter que l'accident de Fukushima a provoqué dans le monde un recul de l'énergie nucléaire, notamment en Allemagne; l'Allemagne décida d'abandonner totalement la production d'électricité nucléaire. En France l'opposition au nucléaire sous la pression des écologistes, des partis socialiste et communiste, avaient joué un rôle pour l'élection de François Hollande à la présidence de la République en 2012. Il avait promis, s'il était élu, de réduire à 50% de la part du nucléaire dans la production d'électricité à l'horizon 2050, ce qui impliquait la fermeture de 24 réacteurs, les plus anciens mis en service industriel. Elu président de la République, une loi fut votée à cet effet. C'est cette loi qui a conduit à la fermeture des deux réacteurs de la centrale de Fessenheim en Alsace, les plus anciens mis en service en 1974, alors qu'ils avaient été entretenus par EDF pour durer jusqu'à 60 ans en service industriel.

Mais depuis l'accident de Fukushima, la question du changement climatique, l'abandon des énergies fossiles -charbon, pétrole et gaz à l'horizon 2050, l'essor des véhicules électriques et plus récemment la guerre en Ukraine par la Russie, ont modifié la donne. Il est prévu maintenant de revenir au développement de l'énergie nucléaire, qui est l'un des trois axes fixés par le chef de l'État Emmanuel Macron en février 2022, pour sortir des énergies fossiles et atteindre la neutralité carbone en 2050. Il est prévu dans un premier temps de construire six autres réacteurs EPR et possiblement ensuite huit autres soit 14 réacteurs EPR au total. Le retour du nucléaire dans le monde industrialisé est aussi en cours.

Mais la mise en sommeil et les tergiversations sur la filière nucléaire française pendant plusieurs décennies, l'a fragilisée au point qu'aujourd'hui les experts en France et à l'international doutent de la capacité à mener à bien des projets nucléaires aussi complexes que les EPR. Un grand nombre d'entreprises nécessaires aux différentes parties du projet ont disparu ainsi que des compétences des personnels, ingénieurs et ouvriers professionnels. Ce sont des milliers d'entreprises qui participent à la réalisation d'un projet nucléaire, dans le cadre d'un processus d'architecture industrielle dirigé par un chef de projet compétent. Selon mes informations ce sont 2000 entreprises qui manquent et qu'il faudrait recréer. L'actuel président de l'ASN Bernard Doroszczuk a donné pour sa part, des éléments d'analyse. Mais la principale critique porte sur le fonctionnement de l'entrepise nationale EDF et l'ingérence de l'état. Le sujet en France est "le fisaco d'EDF" et divers rapports sur les déboires de l'EPR de Flamenville en coûts et en délais.

Cela dit, je reviens aux éléments techniques de la fission nucléaire et de la production d'électricité

2: La production d'électricité

La production d'énergie électrique nucléaire en 2023 a été de 320.4 TWh, en hausse après les années de baisse en 2022 (279TWh) et 2021, qualifiée par certains observateurs de la presse et des parlementaires, de fiasco d'EDF. Il s'agit aussi de l'effet du renforcement de mesures de sécurité suite à Fukushima et récemment à l'apparition de micro fissures dans les tuyauteries des systèmes de refroidissement de centrales les plus récentes, un phénomène appelé "corrosion sous contrainte", suivi avec vigilance par l'IRSN et l'ASN, qui a nécessité l'arrêt de 24 réacteurs sur les 56 pour proécder à des vérifications de sureté.

Après redressement, la production totale d'électricité en 2023 a été de 494.3TWh; la part du nucléaire est donc de 64.8%, un part plus faible qu'historiquement de 70% en 2019 (*), voire 78% dans les années 1990.

(*) En 2019 la production totale d'électricité - nucléaire, hydraulique, éolien/photovoltaïque, et biomasse, a été de 537.7TWh dont 379.5TWh de nucléaire soit 70.6%

LE NUCLÉAIRE DANS LE MONDE : Avec une production de 2710 TWh en 2018 (soit 10,1 % de la production mondiale d’électricité de 26730 TWh), le nucléaire est la 3e source de production d'électricité dans le monde. A fin 2019, le monde compte 443 réacteurs nucléaires en fonctionnement, répartis dans 30 pays. 24 réacteurs supplémentaires sont en construction: Au total, 56 réacteurs sont en construction dans le monde : dont 25 en Chine, mais aussi en Inde, en Turquie, en Egypte, au Bangladesh, en Iran et en Biélorussie. 116 réacteurs ont été ajoutés depuis 2000.

En 2021, l'électricité c'est 40% du mix énergie primaire de la France et le nucléaire c'est environ 70% de la production d'électricité (65% en 2023).

L'objectif en 2035 était de réduire la part relative du nucléaire à 50% en accroissant la part des énergies renouvelables éoliennes et photovoltaïque. Mais cet objectif a été supprimé ... Désormais le développement du nucléaire est de nouveau prévu par la loi:

La loi n° 2023-491 du 22 juin 2023 relative à l’accélération des procédures liées à la construction de nouvelles installations nucléaires à proximité de sites nucléaires existants et au fonctionnement des installations existantes a été publiée au Journal officiel du 23 juin 2023. Elle vient actualiser la planification énergétique. Elle simplifie les procédures administratives relatives à la construction de nouveaux réacteurs nucléaires tout en prolongeant la durée de vie des installations nucléaires existantes. Elle cherche aussi à améliorer la sûreté et la sécurité nucléaires.

3: La fission nucléaire

La fission nucléaire est un phénomène découvert dans les années 1930-1940. Les atomes sont constitués d'un noyau central qui concentre toute leur masse, et d'électrons qui tournent autour en périphérie. Le noyau d'un atome est constitué de protons et de neutrons. Le nombre de protons détermine le nombre de masse de l'atome.

Voir cette video sur l'atome

Certains atomes - les plus lourds du tableau de Mendeleiev- sont fissiles, c'est à dire instables; quand un neutron externe vient frapper et pénétrer le noyau d'un atome fissile, celui-ci éclate en deux atomes différents, généralement radioactifs, en libérant deux ou trois neutrons et une très grande quantité d'énergie sous forme de chaleur. C'est cette chaleur qu'on utilise pour générer de l'électricité. Les neutrons éjectés vont à leur tour frapper d'autres noyaux d'atomes fissiles ce qui amorce et entretient une réaction en chaîne.

Pour amorcer une réaction en chaîne il faut avoir une source externe de neutrons ... Il existe des atomes qui sont producteurs de neutrons; c'est le cas du berrylium.

4: L'uranium: le combustible nucléaire

L'uranium est un métal de numéro atomique 92 qui fait partie de la famille des actinides; c'est le 48è élément naturel le plus abondant de la planète. Le minerai d'uranium est un minerai granitique nommé uranite ou pechblende qui contient typiquement 0.1% à 2% d'uranium, mais pouvant atteindre 20% dans les gisements les plus riches. Les gisements et les réserves d'uranium dans le monde sont nombreux. Les principaux gisements se trouvent en Australie, au Canada, en Russie, au Niger, en Algérie, en Afrique du Sud, en Namibie, au Brésil, au Kazakhstan et en Mongolie. En France, il en existe en Vendée, dans le Limousin, près de Roanne et dans l'Hérault près de Lodève, mais ils ne sont plus exploités. Au Niger et en Algérie j'ai participé au développement des mines d'Arlit, d'Imouraren et de Tamanrasset.

L'uranium dit naturel contenu dans le minerai se compose de trois isotopes, l'uranium 238 (99,2739 à 99,2752 % en teneur), l'uranium 235 (0,7198 - 0,7202 %) et l'uranium 234 (0,0050 - 0,0059 %). La masse atomique moyenne de l'uranium naturel est de 238,02891.

De ces 3 isotopes, seul l'isotope 235 est fissile pour produire de l'énergie nucléaire; comme indiqué plus haut, il est présent à 0.72% dans l'uranium du minerai. Cette teneur est jugée insuffisante pour les réacteurs REP pour des raisons pratiques et économiques. Il faut donc enrichir, concentrer, l'uranium naturel en U235. On vise 3-5% pour le nucléaire civil. Pour une bombe atomique il faut enrichir à 90%. NB: Cet enrichissement aux fins militaires est l'objet du traité de non prolifération, TNP, suivi par l'agence internationale de l'énergie atomique AIEA.

5: L'enrichisement du minérai et la production du combustible nucléaire

L'enrichisement du minerai suit divers processus chimiques et physiques depuis la mine jusqu'à la cuve du réacteur en commençant par la phase minerai vers la production de "yellow cake" (85% d'Uranium naturel) .... jusqu'aux petites pastilles d'uranium métal qui sont des petits cylindres d'environ 7g et de 1 cm de long contenant 3-5% d'uranium fissile 235. Chaque pastille peut libérer autant d'énergie qu'1 tonne de charbon. Les pastilles sont introduites dans des tubes carrés en métal zirconium de 4m de long dont les extrémités sont bouchées, constituant ce que l'on appelle des crayons. Les crayons sont regroupés et forment des assemblages combustibles. Ces assemblages sont placés dans le cœur de la cuve du réacteur.

Les pastilles séjournent entre 4 et 5 ans dans la cuve du réacteur où elles subissent les réactions de fission nucléaire et produisent l'électricité. Au fil du temps, elles s'épuisent en uranium fissile 235 et doivent être remplacées - c'est l'explication du besoin de l'enrichissement en U235 de 0,7% à 3-5%.. Cette opération s'effectue dans l'eau car elle permet de piéger les rayonnements radioactifs. Le combustible usé reste ensuite pendant 3 ans en piscine de refroidissement, le temps de perdre peu à peu une partie de sa radioactivité.

7: Sureté nucléaire et radioactivité

La sécurité nucléaire est assurée par deux organismes: L'Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire (IRSN) et l'Autorité de Sécurité Nucléaire (ASN). Il a été proposé récémment de fusionner ces deux organismes.

Il sont particulièrement vigilants sur la sécurité accrue des nouveaux EPR, sur les révisions décennales des réacteurs en service et sur les problèmes de mico-fissures, un phénomène récent dit de "corrosion sous contrainte" apparu sur les centrales les plus récentes.

C'est le sujet le plus clivant.

Dans la plupart des pays, le combustible usé est mis dans des conteneurs d'acier et transporté vers une usine de retraitement. Celle de la Hague (AREVA), en France, dans le département de la Manche, est la plus grande installation de retraitement du monde. Le retraitement consiste à séparer les différents éléments du combustible par des traitements mécaniques et chimiques de façon à les réutiliser et également à séparer les déchets. Ainsi, l’uranium est à nouveau enrichi pour produire du combustible nucléaire. 96 % du combustible usé est réutilisé sous forme de combustible MOX, mélange d'oxydes d'uranium et de plutonium produits de la fission.

La partie du combustible usé qui ne peut pas être réutilisée, appelée déchets ultimes, est coulée dans du verre en fusion et entreposée pendant 30 à 40 ans à l'usine de La Hague.

Il est envisagé d'enterrer une partie des déchets - les plus dangereux dans une mine souterraine profondes créée pour cela par l'Andra.

Cigéo est le projet de centre de stockage géologique profond, conçu pour accueillir les déchets français les plus radioactifs.

En savoir plus sur Cigéo

Les connaissances sur le sujet des déchets radioactifs et l'effet de la radioactivité sur l'environnement et la santé humaine sont accessibles dans le site des Nations-Unies basé à Vienne: l'UNSCEAR United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation (commission scientifique d'études des effets des radiations atomiques). Les Rapports de l'UNSCEAR sont acceptés à l'unanimité par l'Assemblée Générale des Nations Unies.

Il faut lire dans les documents joints, les rapports publiés sur l'accident de Tchernobyl et celui de Fukushima. Le plus grave en pertes de vies humaines fut celui de Tchernobyl car il impliqua l'intervention de 600 hommes venus de Zaporija qui furent sévèrement exposés durant les premiers jours. Celui de Fukushima ne causa pas les mêmes pertes; il n'y eut pas de pertes directes de vies humaines. Ces accidents font l'objet de suivis scientifiques médicaux concernant la survenance de cancers de la thyroïde, notamment chez les enfants à cause de l'injestion de lait..

8: L'avenir

Réacteurs à neutrons rapides

Fission versus Fusion

La fusion expliquée

Fusion nucléaire; visite du chantier ITER

9: Jean Marc Jancovici apôtre de la décroissance

Je ne serais pas complet si je ne citais pas Jean-Marc Jancovici apôtre de la décroissance via ses conférences, le site Carbone 4 et le Shift project. La thèse c'est que tout notre bien-être dans nos pays industrialisés est fourni par les combustibles fossiles, principalement le pétrole et qu'on ne pourra pas le remplacer intégralement par de l'électricité produite par les énergies renouvelables ou nucléaires. Or les énergies fossiles sont la cause du réchauffement climaiique et les réserves s'épuisent inéluctablement. D'où le concept de la décroissance car on ne pourra pas l'éviter.

Références

Le nucléaire en leçons: