voir Centrale nucléaire. Pour les applications militaires du nucléaire, voir Arme nucléaire.
Selon le contexte d'usage, le terme d’énergie nucléaire recouvre deux sens différents :
- Au niveau macroscopique, l’énergie nucléaire correspond, d’une part à l’énergie libérée par les réactions de fusion nucléaire au sein des étoiles et à la principale source d'énergie du volcanisme terrestre1,2, d’autre part aux usages civils et militaires de l’énergie libérée lors des réactions de fission ou de fusion du noyau atomique ;
- Au niveau microscopique, l’énergie nucléaire est l’énergie associée à la force de cohésion des nucléons, la force nucléaire forte (protons et neutrons) au sein du noyau des atomes. Les transformations du noyau libérant cette énergie sont appelées réactions nucléaires. La force nucléaire faible, elle, régit les réactions entre particules et neutrinos.
Sommaire
Radioactivité
Article détaillé : Physique de la radioactivité.
La radioactivité est un phénomène physique naturel au cours duquel des noyaux atomiques instables se transforment spontanément (« désintégration ») en des noyaux atomiques plus stables convertissant une partie de leur masse en énergie, selon la célèbre formule E=mc2 d'après Albert Einstein.Un corps radioactif dégage naturellement cette énergie produisant un flux décroissant de chaleur. Cette chaleur est particulièrement intense pour le combustible nucléaire irradié en sortie de réacteur. C’est la raison pour laquelle le combustible irradié est entreposé dans une piscine de désactivation près du réacteur. C'est le même phénomène qui est à l'origine du volcanisme terrestre, le très faible niveau de radioactivité naturelle étant compensée par l'immensité de la sphère terrestre3, 4.
Réaction nucléaire
Article détaillé : Réaction nucléaire.
L’énergie nucléaire est produite par les noyaux des atomes qui
subissent des transformations, ce sont les réactions nucléaires. Ces
réarrangements nucléaires conduisent à des configurations plus stables,
le différentiel d’énergie (correspondant au différentiel de masse) constitue alors l’énergie libérée par la réaction. La transformation de la masse en énergie selon la célèbre formule E=mc2 est utilisée dans les réactions de fission et fusion nucléaire.Fission
Texte en exposant
Article détaillé : 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 à vitesse lente et contrôlée. Dans une bombe, elle se propage 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.
Fusion
Article détaillé : Fusion nucléaire.
La fusion nucléaire est une réaction où 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 énorme quantité 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 (cf. énergie de liaison ; E=mc²) ; le noyau résultant ayant une masse moins élevée que la somme des masses des noyaux d’origine.Cette réaction n’est cependant possible 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 ou lors de l’explosion d’une bombe à fission nucléaire, qui amorce ainsi l’explosion thermonucléaire (bombe H).
Actuellement, aucun appareillage ne permet de produire de l’énergie en contrôlant les 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. Des recherches sont actuellement menées dans un cadre international afin de développer l’usage civil de l’énergie de fusion nucléaire pour la production électrique.
Comparaison des énergies nucléaire et chimique
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) :- .
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 :
- .
Connaissant les formules des énergies nucléaire et chimique, on en déduit l'ordre de grandeur de leur rapport:
- 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
- .
- Le rayon d'un nucléon n'est pas une constante universelle mais le rayon de Compton du proton,
- 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
- 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
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- Énergie nucléaire
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- Énergie chimique
-
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- Masse du proton:
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- Masse de l'électron :
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- Constante de structure fine :
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- 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.
Applications
Réactions nucléaires modérées
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, dans les sous-marins et les porte-avions).
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 nucléaires y sont amorcées, modérées et contrôlées dans le cœur : assemblage de combustible et de barres de contrôle traversés par un fluide caloporteur qui en extrait la chaleur. Cette chaleur est ensuite convertie en énergie électrique (ou en énergie motrice en propulsion navale) par l’intermédiaire de turbines (vapo-alternateurs).
Centrales nucléaires
Article détaillé : Liste des réacteurs nucléaires.
La production d'électricité d'origine nucléaire était de 2 518 TWh en 2011 , ce qui représentait 13,5 % de la production mondiale d'électricité. En 2013 elle en représente 11 %7.La France est le pays dont la part d'électricité d'origine nucléaire est la plus élevée (74,8 % en 2012), suivie par la Belgique et la Slovaquie avec plus de la moitié de leur électricité produite à partir du nucléaire. La production d’électricité d'origine nucléaire en Chine est en progression rapide depuis le milieu des années 2000, elle était de 92,7 TWh en 20128.
Au 1er janvier 2013, le premier parc national de centrales nucléaires est celui des États-Unis (104 réacteurs nucléaires pour une puissance de 102 GW), vient ensuite la France (58 réacteurs nucléaires pour une puissance de 63 GW). La Chine qui dispose de 16 réacteurs en service totalisant une puissance installée de 12,9 GW, a lancé la construction de 29 nouveaux réacteurs soit 30 GW et envisage un parc total de 216 réacteurs (soit 225 GW) pour fin 20309.
Article détaillé : Propulsion maritime.
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).
Les coûts d’investissement et d’exploitation de la propulsion nucléaire sont importants, ce qui ne la rend pas 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.
Propulsion spatiale
Article détaillé : Propulsion nucléaire (astronautique).
Voyager 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.Réactions nucléaires explosives
Article détaillé : Arme nucléaire.
La puissance de l'énergie nucléaire est dans ce cas utilisée comme
explosif. Les puissances des bombes nucléaires vont 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.Types d’armes
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) est obtenue par l’explosion d’une « amorce » constituée par une bombe à fission au plutonium.
Histoire
La première utilisation militaire d’une arme nucléaire (« bombe A ») a été en 1945, 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.Doctrine d’emploi
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).
Industrie du nucléaire
Article détaillé : Industrie nucléaire.
Pendant la Seconde Guerre mondiale, la production d'armes atomiques était la principale raison d'être de l'industrie nucléaire.Depuis les années 1970, cette industrie travaille aussi pour la production d'énergie10.
La production d'énergie nucléaire est une activité de haute technologie, et qui demande un contrôle rigoureux et permanent11.
Ce contrôle est aussi bien le fait des autorités de sûreté nationales (Autorité de sûreté nucléaire pour la France) qu'internationales (comme l'AIEA, ou Euratom en Europe).
Recherche dans le domaine de l’énergie nucléaire
- Les pays détenteurs de l'arme atomique (Russie, États-Unis, Royaume-Uni, France, Chine, Inde, Pakistan, Israël et Corée du Nord) mènent des recherches classées "secret défense" pour entretenir ou moderniser leur arsenal atomique.
- Les États-Unis, l’Union européenne, la Russie, le Japon, la Chine et la Corée du Sud se sont réunis autour du projet ITER, programme d’étude à long terme de la fusion nucléaire contrôlée. C’est un projet de recherche qui a pour objectif la construction et l’exploitation expérimentale d’un tokamak de grandes dimensions. Le réacteur sera construit à Cadarache en France. Ce projet explore une des branches de la fusion, la Fusion par confinement magnétique.
- Dans le cadre du Forum international génération IV, des études sont menées sur le développement de nouvelles filières de réacteurs nucléaires à fission. Le planning de ce programme international prévoit la mise en service industriel de ces réacteurs à l’horizon 2030-2040.
- L’étude du cycle du thorium est actuellement en cours et le thorium pourrait supplanter l’uranium actuellement utilisé, car les réserves en thorium sont plus importantes que celles d’uranium. Toutefois, le thorium naturel est composé à 100 % de l’isotope 232 qui n’est pas fissile mais fertile (comme l’uranium 238). Son utilisation est donc assujettie au développement des réacteurs surgénérateurs et des procédés chimiques de retraitement afférents.
- Il existe également des recherches sur la fusion par confinement inertiel, aux États-Unis qui expérimentent la méthode Z-pinch; ou en France qu'explorera le laser Mégajoule en construction près de Bordeaux12.
- Depuis mars 1996, au Japon, un programme de recherche international doté d'un centre d'études des matériaux a pour objectif d'inventer les matériaux qui pourront résister à la fusion thermonucléaire, baptisé IFMIF13.
Coût de l'énergie nucléaire
En comparaison à d'autres sources d'énergie, l'énergie nucléaire civile nécessite des investissements initiaux très importants, mais bénéficie d'un coût d'exploitation plus faible par kilowatt heure produit14, conduisant à un faible taux de rentabilité interne : l'investissement dans le nucléaire ne se conçoit que dans le cadre d'une politique à très long terme15. Cette exploitation se poursuit sur des durées qui se chiffrent en dizaines d'années. Le coût de l'énergie nucléaire dépend fortement de la durée sur laquelle l'investissement initial est amorti, et la prolongation éventuelle de leur exploitation constitue un enjeu économique très important16,17.Le coût du combustible nucléaire est principalement dû à l'enrichissement de l'uranium et à la fabrication des éléments combustibles, qui nécessitent une technologie relativement complexe14. La part du minerai d'uranium dans le coût de l'énergie est faible comparée à celles des énergies fossiles : l'énergie nucléaire est par elle-même la source d'une activité industrielle spécialisée.
On notera cependant qu’en France le coût du nucléaire, fixé par le gouvernement (loi NOME), est largement sous-évalué. De 42 euros le mégawattheure (prix actuel cf Arenh au 1er janvier 2012), on monte à 54,2 euros en incluant les travaux de sécurisation post-Fukushima selon des rapports du Sénat18 et de la Cour des comptes19. Il pourrait même, selon certains sénateurs, monter à 75 euros le mégawattheure en rajoutant des coûts de démantèlement et les coûts des assurances couvrant les cas de catastrophe20, 21.
Débat sur l’énergie nucléaire
Les risques et les coûts ne sont pas évalués de la même façon par les pro-nucléaires et les anti-nucléaires, qui se divisent aussi au sujet de l’utilité des applications nucléaires civiles et militaires, en particulier de la production d’électricité nucléaire et de l’opportunité d’une sortie du nucléaire civil.
Article détaillé : Débat sur l'énergie nucléaire.
Les applications civiles de l’énergie nucléaire sont controversées en raison :- des risques d’accident nucléaire grave sur un réacteur nucléaire ou au cours du cycle du combustible ;
- du risque de prolifération nucléaire ;
- du risque de terrorisme nucléaire par le détournement de matière radioactive pour l’utiliser comme toxique ou pour fabriquer une « bombe radiologique », ou par l’attaque directe d’un réacteur ;
- du coût économique de la gestion des déchets radioactifs à très long terme (notamment son financement) et du démantèlement nucléaire ;
- de réserves mondiales en combustibles limitées. Ces ressources exploitables dans les conditions économiques actuelles sont disponibles dans des ordres de grandeurs comparables aux ressources pétrolières et gazières (soit environ 60 ans à consommation constante) ;
- de la dépendance envers les pays producteurs d'uranium (tous situés hors d'Europe);
- des impacts environnementaux de l'exploitation des mines d'uranium.
- Les filières nucléaires émettent relativement peu de dioxyde de carbone, contrairement aux énergies fossiles qui en produisent énormément. Elles peuvent de ce fait contribuer à la réduction de la production de ce gaz à effet de serre qui a été identifié comme un des vecteurs responsables du réchauffement climatique de la planète.
- La production nucléaire de l'électricité est liée à moins de décès que toutes les autres manières courantes de produire de l'électricité 22.
- Une étude de l'American Chemical Society publiée en mars 2013 estime à "1,84 million, le nombre de vies humaines sauvées par l'énergie nucléaire, et à 64 gigatonnes (Gt), la réduction des rejets en équivalent CO2 (gaz à effet de serre), du seul fait que la pollution associée aux énergies fossiles a été évitée". De plus en se basant sur une projection des conséquences de Fukushima sur l'utilisation de l'énergie nucléaire, la même source indique "qu'au milieu de ce siècle c'est 0,42 à 7,04 millions de vies qui pourraient être sauvées et 80 à 240 Gt de rejets en équivalent CO2 qui pourraient être évités (en fonction de l'énergie de remplacement). En revanche, l'expansion à grande échelle de l'utilisation du gaz naturel n'atténuerait pas le problème du changement climatique et causerait beaucoup plus de décès que l'expansion de l'énergie nucléaire"23.
- Les matières fissiles sont très répandues dans le monde, elles n'interviennent que de manière marginale dans le coût de l'énergie produite, et si l'on accepte un coût supérieur de l'énergie, les ressources potentielles (écorce terrestre, eau de mer) sont plus élevées que les ressources existantes pour les combustibles carbonés (charbon, gaz, pétrole).
- La filière de génération IV permettant la surgénération (surgénérateurs de type Superphénix), ainsi que les filières utilisant le thorium, ou les centrales à fusion, si elles étaient mises au point, pourraient alimenter toute la planète durant plusieurs milliers d'années au rythme de consommation actuelle.
- Du côté de l'européisme, on estime également que le nucléaire permet de réduire la dépendance européenne au pétrole acheté aux pays du Golfe, et qu'il fait partie des outils permettant de construire une Europe relativement autonome et indépendante.
- Pour les pays qui maîtrisent l'ensemble du cycle du combustible nucléaire, l'énergie nucléaire permet une indépendance énergétique nationale14. Ce qui n'est cependant pas le cas de la France, dans la mesure où elle importe la totalité de son uranium du Niger, du Canada et du Kazakhstan24.
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