Énergie nucléaire

De Oleowiki.

l' énergie nucléaire est actuellement et probablement pour un bon moment encore l'énergie nucléaire de fission (Wikipedia).

L' énergie nucléaire de fusion (Wikipedia), "l'énergie du soleil" ou "des étoiles" reste quant à elle pour l'instant bien inaccessible...

Sommaire

Principe

Fission nucléaire

La fission nucléaire repose sur la désintégration de noyaux lourds dits fissiles, qui libère une très grande quantité d'énergie, (environ un million de fois plus qu'un combustible fossile à masse égale), par un processus auto-entretenu appelé réaction en chaîne. Les noyaux fissiles utilisables sont : l'uranium 235, le plutonium 239, et l'uranium 233.

Le premier existe à l'état naturel en très faible concentration, l'uranium naturel étant un mélange de 99,3 % d'uranium 238 (non fissile) et de 0,7 % d'uranium 235. Les réacteurs les plus courants, à eau pressurisée, nécessitent un enrichissement préliminaire de l'uranium jusqu'à 3 à 5 % d'uranium 235 (le reste étant de l'uranium dit « appauvri » servant par exemple pour la fabrication de lest pour les bateaux, de blindage ou de projectile).

Le plutonium 239 et l'uranium 233 n'existent pas dans la nature, car leur durée de vie est trop courte pour qu'ils aient pu subsister. En revanche, ils sont produits spontanément à l'intérieur des réacteurs, lorsqu'un neutron est capturé par un noyau d'uranium 238 ou de thorium 232 respectivement. Pour cette raison, ces noyaux (non fissiles spontanément) sont dit fertiles, car ils permettent de produire des isotopes fissiles. Ce principe est à la base des réacteurs surgénérateurs (ou breeders en anglais).

L'ensemble des réacteurs utilisés industriellement actuellement repose sur l'utilisation de l'uranium 235, sans surgénération. L'uranium 238 présent également dans les réacteurs produit donc aussi du plutonium, qui pose un problème important. D'abord, c'est un isotope à relativement grande durée de vie (160 000 ans), mais assez courte quand même pour être très radioactif (en effet, plus un noyau est radioactif, moins sa durée de vie est grande). Il est de plus chimiquement très toxique, et sert facilement à faire des bombes. Il pourrait être brûlé dans un surgénérateur, mais l'abandon de cette filière (avec en France la fermeture de Superphenix) interdit pour le moment cette utilisation. La Belgique et la France l'utilisent partiellement en le mélangeant à l'uranium pour fabriquer le combustible MOX (ce qui revient en fait à une surgénération partielle), et stocke le reste en attendant de définir une solution.

Fusion nucléaire

La fusion repose sur un principe différent : plutôt que de casser des noyaux très lourds, on peut aussi obtenir énormément d'énergie en reunissant des noyaux légers, le maximum de stabilité dans un noyau se trouvant au milieu de la classification périodique (autour du fer). Ce mécanisme de fusion se produit naturellement dans les étoiles, qui convertissent naturellement l'atome le plus léger, l'hydrogène (un seul proton), en un noyau un peu plus lourd, l'hélium (deux protons et deux neutrons). D'un certain point de vue, on peut considérer que l'ensemble des énergies renouvelables, à part l'énergie marémotrice qui vient de la gravitation, est de l'énergie nucléaire de fusion du Soleil !

Dans la pratique, le processus le plus facile à produire sur Terre est la fusion d'un atome de deutérium (ou hydrogène lourd : 1 proton et 1 neutron) avec un atome de tritium (1 proton et deux neutrons), pour former un atome d'hélium en libérant un neutron. Le neutron émis, emportant beaucoup d'énergie, peut être ensuite capté et la chaleur dégagée finira par chauffer une turbine à vapeur et produire de l'électricité, comme dans une centrale classique. Le deutérium se trouve en faible proportion dans l'eau naturelle (il forme alors de l'eau lourde), à raison de 33 grammes par m3 d'eau de mer. Le tritium est très radioactif et n'existe pas naturellement, mais il peut être produit par bombardement du lithium avec les neutrons produits dans la réaction. Le lithium est lui-même un élément assez abondant dans la croûte terrestre et dans l'eau de mer, et on estime ses réserves à environ 5000 ans si on devait assurer par la fusion l'ensemble de la consommation énergétique actuelle .

La difficulté principale est que, contrairement à la fission, ce processus n'est pas une réaction en chaîne et ne s'auto-entretient pas naturellement. Il faut confiner un gaz à très haute température (plusieurs centaines de millions de degrés), dans un état appelé « plasma », pendant suffisamment longtemps pour que le processus finisse par fournir plus d'énergie que ce qu'on a donné au départ. Quantitativement, il faut arriver à remplir le célèbre « critère de Lawson » qui fixe un minimum sur le produit densité x température x temps de confinement, qui doit être supérieur <math>10^{21} at.m^{-3}.keV.s</math>, le keV étant une unité d'énergie qui représente environ 10 millions de degrés.

Deux pistes sont explorées actuellement pour atteindre ce critère :

  • le confinement inertiel qui consiste à tirer avec des lasers extrêmement puissants sur de petites billes remplies de mélange D-T. Le temps de confinement est alors très faible mais la densité et la température extrêmement élevées.
  • le confinement par un champ magnétique intense dans des réacteurs toriques appelés Tokamaks. C'est actuellement la piste la plus prometteuse, mais les progrès sont beaucoup plus lents que ce qu'on espérait dans les années 60, où on pensait maîtriser la technique avant la fin du XXe siècle. En fait, les problèmes liés à la stabilisation d'un plasma très chaud dans un champ magnétique très intense se sont révélés extrêmement difficiles à résoudre.

Pic du nucléaire

Il existe dans le monde, en 2008, 435 réacteurs nucléaires (Source "Profil the Peak" 2008), dont 59 en France, qui est le pays qui utilise proportionnellement le plus l'énergie nucléaire : il représente environ 80% de la production électrique et 30 % de la production totale d'énergie. A l'échelle mondiale en revanche, le nucléaire ne représente que 6% de la production d'énergie, ce qui est comparable à l'électricité hydraulique.

L'Uraniun est un élément très commun, que l'on trouve en abondance partout dans le monde. 99.3 % de l'uranium de la planete est l'uranium 238. Le reste, 0.7 % est l'uranium 235 qui est le combustible utilisé dans les centrales nucléaires.

Les réserves d'uranium 235 facilement accessibles représentent environ 80 années de consommation actuelle. Par exemple, le scénario tendanciel, optimisé et optimiste du Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie (LPSC) de l'Université de Grenoble prévoit que la demande ne pourra plus être satisfaite en 2085. Si le nucléaire voulait remplacer intégralement le pétrole dans le monde, il faudrait multiplier par 8 le nombre de réacteurs (soit environ 3500) , et l'ensemble des réserves facilement accessibles ne représenterait plus alors que 10 années de consommation. Des propositions sont faites d'utiliser l'uranium dissous dans l'eau de mer, dont les réserves sont beaucoup plus importantes, mais le coût d'un tel procédé est encore mal évalué (jusqu'à $1000/kg).

Selon The Oxford Research Group, les ressources conventionnelles en uranium 235 de haute qualité suffisent jusqu'a 2033 au rythme actuel de consommation annuelle.

Selon l'Energy Watch Group, l'uranium atteindra son "peak" en 2050.

Selon l'OCDE, les ressources conventionnelles en uranium suffisent pour 270 ans au rythme actuel de consommation annuelle. D’autres ressources sont connues et pourraient être mises à disposition, moyennant des efforts supplémentaires de prospection et de mise en valeur.

Voir l'article sur l'épuisement des ressources naturelles pour une analyse plus détaillée de la question des réserves en uranium.

En revanche, l'emploi de la surgénération, qui permet in fine d'utiliser les isotopes les plus abondants (U238 ou Th232), augmenterait considérablement les réserves, les amenant jusqu'à au moins mille ans de production actuelle.

Prospective

Fission

Les recherches actuelles s'orientent dans plusieurs directions pour remplacer les réacteurs conventionnels.

Réacteurs de IIIe génération

Ils ne sont qu'une version améliorée, sans changement de principe de base, des réacteurs actuels. C'est le cas du projet EPR (European Pressurized water Reactor), dont un exemplaire devrait être construit à Flamanville (Manche) pour 2012. Ce réacteur serait un peu plus efficace que ceux que nous connaissons aujourd'hui, mais ne changerait pas fondamentalement les données du problème.

Réacteurs dits de IVe génération

On groupe en fait sous ce nom 6 projets différents, ayant chacun des avantages et des inconvénients. Trois de ces projets font appel à la surgénération, soit par la filière uranium-plutonium, soit par la filière thorium-uranium (moins proliférante mais plus difficile à manier techniquement, l'uranium 233 étant très radioactif), trois autres ne sont pas surgénérateurs mais emploient de nouvelles techniques (refroidissement à l'hélium, à l'eau supercritique soous très haute pression, cogénération d'hydrogène...). Les estimations seraient que des prototypes pourraient être construits vers 2030, et l'exploitation industrielle commencerait vers 2040. Notons que ces dates sont postérieures à toutes les estimations raisonnables du pic des hydrocarbures.

Réacteurs hybrides

Il s'agit d'un concept révolutionnaire proposé par C. Rubbia (prix Nobel en physique des particules) étudié en particulier au LPSC de Grenoble : en gros, on couple un accélérateur de particules avec un combustible sous-critique qui ne fait pas de réaction en chaîne, comme le thorium : il n'y a pas d'explosion possible, car tout incident produirait l'arrêt de l'accélérateur. Ce procédé produit peu de déchets (et permet même d'incinérer une grande partie de ceux existants) et n'est pas proliférant ; il est donc très intéressant mais encore restreint des expériences de laboratoire. On parle aussi de réacteur nucléaire à spallation.

Problèmes liés à un développement massif du nucléaire

  • L'accident survenu en Ukraine en 1986 risque de se reproduire ... En France, cela serait desastreux, la moitié du pays et de nombreux voisins seraient contaminés. Aucune compagnie d'assurance accepte de couvrir les centrales d'EDF.
  • Tout d'abord, le nucléaire ne produit que de l'électricité, ou tout au moins la génération actuelle de réacteurs. Il serait envisageable en théorie d'utiliser la chaleur perdue dans le refroidissement pour du chauffage par cogénération, mais l'éloignement des centrales par rapport aux centres urbains ne le permet pas en pratique. Le nucléaire remplace donc le charbon et le gaz (ou des renouvelables comme l'hydraulique), mais pas le pétrole, comme le montre l'analyse des sources d'énergie de la France par rapport à ses voisins non nucléarisés. La production de chaleur haute température, exploitable pour des procédés chimiques (production d'hydrogène, de pétrole à partir de sables bitumineux...), par des centrales nucléaires n'est envisagée qu'à l'horizon 2040 par les réacteurs de IVe génération. Notons par ailleurs que le charbon n'est pas actuellement en déplétion. Seul le souci de maîtriser la production de CO2 pour le problème de l'effet de serre est en fait un argument fort pour développer le nucléaire par rapport au charbon.
  • Le développement des surgénérateurs demande une "mise initiale" en combustible (plutonium ou uranium 233) qui est loin d'être assurée, même si on peut supposer que la fin de la guerre froide a laissé derrière elle d'importants stocks de plutonium nucléaire. Le plutonium est actuellement en partie brûlé dans les centrales, et il n'existe pas de production massive d'uranium 233 à partir du thorium. Les filières à surgénération ne sont pas prévues avant 2040, bien après le passage du pic pétrolier.
  • la comparaison des puissances actuellement consommées en pétrole et en nucléaire montre un rapport 8. Autrement dit, une baisse minime de 1% par an de la production pétrolière nécessiterait une compensation par une augmentation de 8% du parc nucléaire, soit entre 30 et 40 centrales par an. Par comparaison, le seul programme de construction d'envergure est celui de la Chine, qui prévoit de construire 35 centrales d'ici 2020. Pour spectaculaire que ce programme apparaisse, il ne couvrirait qu'une petite partie des besoins énergétiques de ce pays. Un développement rapide à l'échelle mondial serait d'autre part extrêmement coûteux, l'essentiel du coût de la filière nucléaire étant dans la construction de la centrale. En vue de la récession prévisible amenée par le dépassement du pic pétrolier, un tel scénario apparaît donc extrêmement improbable.
  • Le problème des déchets n'a pas encore de solution satisfaisante, et les oppositions des opinions nationales sont nombreuses et déterminées. Des pays comme l'Allemagne se sont engagé à sortir du nucléaire, même si en pratique elle continue à faire fonctionner ses centrales et achète de l'électricité nucléaire à la France. Et en vend aussi !!! Le rapport est en defaveur de la France...
  • Bien sûr, le nucléaire présente le danger de la prolifération. Un pays ne maîtrisant pas les techniques d'enrichissement de l'uranium et de retraitement du plutonium ne peut pas fabriquer de combustible à usage nucléaire, mais il est très difficile de contrôler qu'il ne les développe pas. Des techniques assez simples de centrifugation peuvnt être utilisées pour ce but.

En conclusion, l'énergie nucléaire peut servir à assurer une production minimale d'électricité, dans les pays qui ont adopté depuis longtemps cette voie comme la France, mais il est très improbable qu'elle se développe suffisamment rapidement pour assurer ce rôle à l'échelle mondiale. Il faudrait pour cela un programme massif et déterminé qui devrait démarrer dès maintenant, ce qui est très loin d'être décidé sauf peut-être en [Chine]] ou en Inde. D'autre part, à moins de coupler des réacteurs haute température restant à industrialiser avec des unités chimiques de type BTL, et le problème essentiel des transports ne serait pas résolu.

Fusion

Le plus grand réacteur actuel, le JET (Joint European Torus) situé en Angleterre, a tout juste permis d'atteindre le seuil où il fournissait l'énergie utilisée pour chauffer le plasma, mais était encore loin du seuil de rentabilité où il faudrait récupérer l'ensemble de l'énergie nécessaire au fonctionnement de l'appareil. Le nouveau projet international,ITER, doit être construit en France sur le site de Cadarache et devrait fonctionner en 2020, mais ce ne sera toujours qu'un réacteur expérimental. Un prototype industriel pourrait voir le jour en 2050, mais personne n'envisage sérieusement une production industrielle avant 2100, sous réserves que de nombreux problèmes techniques soient résolus.

En tout état de cause, les problèmes posés par la déplétion pétrolière se seront posés bien avant qu'on puisse espérer le moindre MW utilisable d'un réacteur de fusion.

Parmi les problèmes potentiels de la fusion figurent de plus :

  • la maîtrise des conditions de fusion pendant un temps assez long, qui n'a toujours pas été démontrée.
  • la radioactivité : contrairement à la fission, la fusion n'utilise pas, et ne produit pas d'isotopes lourds qui ont une radioactivité très longue. Néanmoins, les neutrons produits vont provoquer des transmutations dans tous les matériaux entourant le réacteurs. Bien que moins radioactifs, il faudra néanmoins traiter ces déchets. Le tritium est lui extrêmement radioactif, et toute fuite pourrait avoir de graves conséquences sur l'environnement du réacteur.
  • le problème de l'érosion des parois : les conditions extrêmes du réacteur conduisent à l'évaporation de tous les matériaux constituant les parois, conduisant à une abrasion qui pourrait atteindre plusieurs cm par an. Il faudrait donc les renouveler régulièrement, avec le problème du coût et de la gestion des déchets produits.
  • comme toute centrale, la fusion ne produit que de l'électricité , et ne remplace donc pas le pétrole pour les carburants liquides. Il faudrait également maîtriser une filière basée sur l'hydrogène, ce qui est loin d'être acquis.

La fusion reste donc un procédé extrêmement complexe à maîtriser, encore au stade des expériences. Personne n'est capable de dire si l'environnement technologique et industriel indispensable à la construction d'un réacteur à fusion pourra être maintenu jusqu'à la fin du siècle. De nombreux scientifiques pensent que ce procédé ne conduira jamais à une source quantitative d'énergie pour le futur. En tout état de cause, ce ne sera certainement pas une solution dans l'immédiat.

Le Département de l'Energie états-unien finance un important programme de recherche piloté par les Laboratoires Sandia, souvent dénommé Z-Machine. Même si l'application première de ce programme relève du militaire, certains pensent que les percées réalisées dans ce programme, notamment au niveau des très hautes températures, pourraient avoir des retombées à long terme dans le domaine civil de la production d'électricité ; il est aujourd'hui encore trop tôt pour se prononcer.

Liens

  • Coût, volume des déchets:
    • "La Nuclear Decommissionning Authority (NDA) a estimé à 100 milliards d'euros le coût du démantèlement de 20 installations britanniques."
    • "Les déchets atomiques allemands sont évalués à 24.000 M3 ! Qui doivent être enfermés pendant un million d'années. Personne ne sait où mettre ce stade de football haut de 3 mètres..." (faz.de)
  • une étude néerlandaise en anglais aux conclusions contestées : elle démontre notamment que les émissions globales de CO2, y compris celui produit lors de l'extraction du minerai, dépend du taux d'uranium dans le minerai. Lorsque ce taux diminue, la quantité globale de CO2 équivalent produit augmente et le rendement énergétique global diminue. Ainsi, selon cette étude, lorsque le minerai contient moins de 0.05% d’U, les émissions de CO2 de la centrale sur son cycle de vie dépasseraient les émissions d’une centrale gaz ; lorsque ce taux est inférieur à 0.01%, le bilan énergétique global serait nul. Ce rapport ne traite que de la filière nucléaire et ne compare donc pas ces valeurs aux valeurs globales émisent par la filière gaz naturel (en y incluant le méthane). Voir également cette page sur le site du Réseau Action Climat.
  • une étude allemande (en anglais) - ou Uranium resources and nuclear energy sur le site du Energy Watch Group - commandée par le députée allemand Hans-Josef Fell [1] (parti des verts allemands) et réalisée par un groupe indépendant de scientifiques, comparant les ressources officielles d'uranium avec la consommation mondiale actuelle. Le "peak-nuke" est estimé entre 2020 et 2040. Ces résultats sont pessimistes car ne prennent en compte que les seules les ressources officielles prouvées. Les ressources spéculatives sont bien plus importantes (mais la teneur en U du minerai également plus faible). De plus, seules les ressources officielles sont prises en compte, car les ressources réelles sont inconnues du grand public, à l'instar des autres ressources énergétiques.