La production d’électricité nucléaire

L’énergie Nucléaire

C’est l’énergie de liaison des constituants du noyau des atomes. Ce noyau est un assemblage de protons de charge positive, et de neutrons sans charge très fortement liés malgré la répulsion électrique entre protons. Le noyau est extrêmement compact (10-12 mm soit100 000 fois plus petit que l’atome lui-même). Dans les atomes lourds le noyau comporte beaucoup de protons qui se repoussent. Certains de ces noyaux (par exemple d’uranium) peuvent devenir instables et se rompre en libérant une partie de leur énergie de liaison, c’est la fission de l’atome.

Dans les atomes très légers au contraire deux noyaux peuvent se fondre pour former un atome plus lourd en dégageant une énergie considérable. C’est la fusion, par exemple transformation d’hydrogène en hélium. Il existe donc deux types de réactions nucléaires : la fission et la fusion. Sur terre, la radioactivité naturelle qui échauffe le magma est à la base de la géothermie et du volcanisme. Dans l’univers la fusion est omniprésente dans le cœur des étoiles en particulier du soleil. La production industrielle d’électricité par fusion n’est pas envisageable avant des décennies.

Les premières applications de l’énergie nucléaire ont été militaires fission (Hiroshima en1945) ou fusion (bombe à hydrogène en 1952). Les applications civiles de la fission contrôlée ont démarré en 1950 aux Etats Unis pour la production d’électricité. La fusion contrôlée est encore au stade des labos de recherche. L’énergie nucléaire a donné lieu également à des applications majeures pour l’humanité en médecine, radiothérapie, imagerie médicale et dans le spatial pour la propulsion des satellites.

L’énergie nucléaire nécessite des investissements lourds et une maîtrise de la sûreté très exigeante imposant des normes qui ont contribué à l’avènement de l’assurance de qualité dans toutes les industries de la filière nucléaire (et qui se sont généralisées par la suite dans tous les domaines).

Les acteurs majeurs de l’industrie nucléaires sont les états qui se sont dotés de l’arme nucléaire qui permet la maîtrise des technologies au cœur du nucléaire civil. C’est ainsi que la France avec le concours du CEA, du CNRS, de l’EDF et de son industrie puissante dans les années 1960-70 s’est dotée d’une capacité de production d’électricité nucléaire qui en a fait le deuxième producteur mondial derrière les USA. Cependant des puissances économiques non dotées de l’arme nucléaire ont développé des capacités nucléaires civiles.

Au niveau civil, la fission nucléaire contrôlée pour la production d’électricité s’effectue dans des réacteurs à eau pressurisée (PWR- Pressurized Water Reactors) ou bouillante (BWR- Boiling Water reactors). Ces réacteurs sont dits à neutrons lents (RNL) ou encore à neutrons thermiques car l’eau est un ralentisseur de neutrons.

LES RNL (Réacteurs à Neutrons Lents)

Le fluide caloporteur est l’eau sous pression tant dans le circuit primaire que secondaire.

Ces réacteurs conventionnels tirent leur énergie de la fission des noyaux d’Uranium légèrement enrichi en U235 qui existe à l’état naturel en teneur très faible 0.7% dans l’uranium naturel principalement constitué d’U238. Près de 450 réacteurs de ce type sont en fonctionnement dans le monde dont 58 en France (56 depuis la fermeture de Fessenheim1 et 2). Dans la croûte terrestre, le minerai d’uranium naturel est constitué à 99.3% d’uranium 238 stable (non fissile) et à 0.7% d’uranium 235 (fissile). Le combustible nucléaire de nos réacteurs actuels doit être enrichi en uranium 235 jusqu’à 3 à 5% afin de pouvoir obtenir une réaction en chaîne.

La fission consiste à casser des noyaux lourds comme ceux de l’uranium 235 ou du plutonium 239 sous l’effet de l’impact d’un neutron. Chaque noyau est transformé en deux autres noyaux environ deux fois plus petits, et c’est l’énergie libérée par cette réaction que l’on utilise dans les réacteurs électronucléaires. La chaleur produite est convertie en électricité avec un rendement de 35 à 37%.

Chaque désintégration d’un noyau d’U235 émet plus de deux neutrons. Au-delà d’une certaine concentration un de ces neutrons provoque la désintégration d’un autre noyau d’U235 il peut se produire une réaction en chaîne. L’U238 présent peut absorber un neutron et se transformer en plutonium 239 très instable comme l’U235. En contrôlant cette réaction en chaîne on dispose d’une source d’énergie continue, puissante et compacte.

Un gramme d’U235 produit la même quantité d’électricité que 2 tonnes de fuel ou 2 tonnes de charbon sans émission de CO2.

Les réacteurs de deuxième génération actuellement en service en France dont la durée de vie dépasse 50 ans (100 ans déclarés pour certains aux USA), sont des réacteurs utilisant l’eau comme fluide caloporteur, eau pressurisée-PWR (pressurized water reactors). En France tous les réacteurs sont des réacteurs à eau pressurisée dits PWR ou REP. Aux USA on trouve aussi des réacteurs à eau bouillante-BWR (Boiling Water Reactors).

Une troisième génération améliorée est en cours d’installation – L’EPR (European Pressurized Reactor) qui intéresse particulièrement l’Asie (Chine, Inde, Corée) où les besoins sont énormes.

Une quatrième génération qui devrait remplacer tous les réacteurs, qui arrive au stade industriel est celle des surgénérateurs à neutrons rapides (RNR), nous y reviendrons plus loin. Des projets de réacteurs de moindre puissance- 80/350MW- (modulaires) sont également en cours de développement aux USA, en Russie, en Chine. Les réacteurs de 4ème génération consomment de l’uranium appauvri (et du plutoium) et peuvent constituer des sources d’approvisionnement électrique locales associés à des « smart grids » (réseaux de distribution intelligents). Ces réacteurs peuvent être alimentés par les déchets produits par nos réacteurs actuels dont la France possède 250 000 tonnes et qui posent on le sait d’énormes problèmes de stockage (vitrification, enfouissement etc.). De plus ces réacteurs permettent également de retraiter les déchets radioactifs ultimes à vie longue (actinides) en ramenant leur radiotoxicité dangereuse, de plusieurs milliers d’années à quelques années, ce qui facilite le problème du stockage. Le rendement des réacteurs à neutrons rapides est 100 fois supérieur (pour une même quantité de combustible) à celui des réacteurs actuels, ce qui garantirait une indépendance énergétique électrique de la France (avec notre stock de déchets actuel et les stocks d’uranium naturel ou appauvri disponibles) de 3000 à 5000 ans sans plus avoir recours aux mines d’uranium dont les quantités disponibles s’amenuisent (l’uranium à haute teneur est déjà une ressource limitée).

Le nucléaire français

En 1957, un traité sur le nucléaire civil a été signé entre les pays européens (EURATOM).

La France bénéficie depuis quelques décennies d’une autonomie énergétique électrique unique au monde puisque grâce à nos centrales hydrauliques et nucléaires, nous avons en quantité suffisante pour la consommation du pays l’électricité la plus décarbonée et la moins chère du monde, et ce malgré les erreurs impensables des politiques, qui sous l’influence de l’Allemagne et des écolos se sont attachés à détruire notre industrie et notre outil de production nucléaire.

Notre pays avait une bonne maitrise du nucléaire militaire et civil depuis la première pile atomique à eau lourde « ZOE » en 1948. Notre savoir faire s’étendait tout d’abord à la maîtrise de l’intégralité du cycle du combustible (COGEMA),(raffinage du minerai, transformation en « yellow cake », enrichissement, fabrication des assemblages puis retraitement).

Diverses filières ont été développées jusqu’à la filière graphite gaz pour la production d’électricité, mais il fallait parvenir à des puissances supérieures et seuls les réacteurs à eau légère mis en œuvre aux USA pouvaient répondre aux besoins à long terme du pays.

Un accord de licence et d’assistance technique pour la réalisation de réacteurs à eau pressurisée (REP), sera cédé en février 1959 par WESTINGHOUSE à la nouvellement créée « Franco-Américaine de construction atomique » FRAMATOME.

C’est ainsi que par un consortium franco-belge composé d’EDF et de diverses sociétés Belges (SENA), la première centrale à eau pressurisée va être commandée en 1961 et construite à CHOOZ dans les Ardennes (centrale enterrée à 150m sous terre) et mise en service en 1967.

C’est un réacteur 4 boucles de 305MWe, le premier REP mis en service en France après le prototype à terre du réacteur du premier sous-marin nucléaire « REDOUTABLE ».

La cuve du réacteur fut construite par la « Société des Forges et Ateliers du Creusot- SFAC ». Le Creusot étant la seule usine en France capable d’élaborer l’acier, de forger et d’assembler les divers éléments constitutifs de la cuve. La cuve du réacteur qui contient le cœur du réacteur avec ses éléments de contrôle, est l’élément clé de la sécurité de la centrale. Elle fonctionne en effet sous irradiation et sous pression élevée et à haute température (155 bars, 325°C) ce qui pose des problèmes de résistance mécanique et de tenue dans le temps, imposant une haute technologie métallurgique pour d’élaboration de l’acier, le forgeage et la soudure, dont le savoir-faire mondialement reconnu du Creusot permettait la réalisation avec la qualité et la fiabilité requise. Cette cuve de réacteur a permis au Creusot de commencer à mettre au point les techniques qui furent mises en œuvre et perfectionnées pour réaliser le programme qui a suivi.

En 1969 : commande par la SEMO de la première centrale (franco-belge) de 900 MWe de Tihange1 (Belgique) avec Framatome comme chef de file.

En 1970 : commande par EDF des chaudières de Fessenheim1 et 2. (2X900 MWe).

En 1971 : commande par EDF des chaudières de Bugey2 et 3. (2X900 MWe)

En 1972 : Westinghouse renouvelle son contrat de licence et devient actionnaire de Framatome qui acquiert les usines lourdes du Creusot et de Chalon qui fabriqueront désormais les cuves de réacteurs, les pressuriseurs, les générateurs de vapeur et les équipements internes de la cuve qui supportent le cœur du réacteur et son instrumentation.

En 1973 : commande par EDF des chaudières de Bugey 4 et 5 (2X900 MWe)

En 1974 : signature avec EDF du contrat programme portant sur 16 chaudières de 900 MWe et commande des centrales de Tihange2 Doël3 à un groupement franco-belge dont le chef de file est Framatome.

En 1975 : EDF commande 8 chaudières de 1300 MWe.

En 1976 : deuxième contrat programme 900 MWe de 10 chaudières.

En 1976: Un accord quadripartite est signé entre Framatome, le CEA, EDF et Westinghouse pour la recherche et le développement.

En 1976 : L’Afrique du sud (ESCOM) commande deux centrales nucléaires de 920MWe au consortium Framatome-Alsthom-Spie Batignolles – Framateg- Koeberg1 et2.

En 1977 : L’Iran commande au même consortium 2 centrales de 920 MWe pour Karun3 et 4, identiques à Koeberg, commande qui sera résiliée suite aux événements politiques. Les chaudières deviendront Gravelines 5 et 6.

En 1980 : KECO, Corée du sud, commande deux îlots nucléaires de 2X950 MWe : Korea nuclear units n°9 et 10.

Dans les années 1980, la Chine va commander des îlots nucléaires pour Daya Bay puis Ling Ao avec un transfert de technologie de la France (EDF et Framatome) qui va finalement brader notre technologie, y compris celle des EPR, si bien que la Chine a mis en route ses deux premiers EPR en 2018 et 2019 alors que la France à Flamanville va peut-être démarrer le sien mi 2024, avec un retard de plus de 12 ans et un coût multiplié par 4.

Entre temps l’EPR de Flamanville lancé en 2007 a subi toutes les vicissitudes politico- écologiques que l’on connaît avec la tentative de démantèlement d’EDF et de Framatome (devenue AREVA en 2001), avec l’effondrement industriel de la filière nucléaire, les diverses modifications dues aux normes de sûreté sans cesse plus contraignantes etc.

Bien entendu, l’arrêt du nucléaire a engendré une énorme perte de savoir-faire tant au niveau de l’engineering que de la maintenance des centrales, chez EDF, Framatome et tous les industriels. Il a fallu racheter Alstom, recréer Framatome pour effacer l’image catastrophique d’Areva. Les pertes de compétences engendrées par une politique suicidaire fait même douter de notre capacité à construire et à assurer la maintenance de centrales nucléaires dans le futur.

Comme on le voit la France s’est dotée depuis 1970 d’un remarquable parc de 58 centrales nucléaires, (56 désormais suite à l’arrêt des deux tranches de 900 MWe de Fessenheim 1 et 2 qui étaient déclarées encore bonnes pour 30 années de service).

Quelques définitions

ADEME : Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie est devenue un lobby pro-éolien et antinucléaire installé au cœur même du pouvoir politique.

L’OFATE (Office Franco-Allemand de la transmission Ecologique) lobby industriel éolien Allemand, est installé au cœur même du ministère de l’écologie.

ATOME : constituant de la molécule composé d’un noyau autour duquel gravitent des électrons. Les électrons qui sont à la périphérie de l’atome et chargés négativement sont en même nombre que les protons du noyau chargés positivement.

NOYAU atomique : Région située au centre de l’atome, constituée de protons et de neutrons (les Nucléons). Le noyau concentre pratiquement toute la masse de l’atome. La taille du noyau est 100 000 fois plus petite (10-15m) que l’atome (10-10m).

NUCLEONS : ensemble (Protons & Neutrons)

N° atomique : nombre de Protons du noyau

Nombre de masse : nombre de Nucléons (somme des protons et des neutrons)

ISOTOPES : deux nucléides d’un même élément sont dits isotopes s’ils partagent le même nombre de protons Z mais ont un nombre de neutrons N différents.

ISOTOPE FISSILE : élément chimique dont le noyau atomique peut subir une fission nucléaire sous l’effet d’un bombardement par des neutrons thermiques ou des neutrons rapides. Le seul isotope fissile par des neutrons thermiques est l’Uranium 235.

TRANSMUTATION: transformation d’une substance en une autre, en nucléaire transformation d’un élément chimique en un autre par modification de son noyau atomique. Technique utilisée pour réduire la radiotoxicité des déchets radioactifs qui nécessite de hautes énergies.

U238(fertile), U235(fissile), U233(fissile) : isotopes de l’Uranium

Pu 239 : isotope fissile du plutonium dont la période est de 24130 ans. Le Plutonium possède 15 isotopes tous radioactifs.

MWth : Mégawatt thermique, c’est la puissance thermique fournie par le réacteur MWe : Mégawatt électrique, c’est la puissance électrique disponible pour le réseau MW=1000 KW =1 000 000 de Watts.

Par Louis DUVERNE

Prochainement, épisode 2 :
« Les réacteurs à neutrons rapides »