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première version mars 2011
dernière mise à jour
05 février 2014

L'électricité Nucléaire

Dans un autre chapitre de ce site nous traitons de la radioactivité dans l'optique de présenter les divers capteurs et instruments de mesure aptes à quantifier les divers rayonnements radioactifs. Ici nous allons présenter brièvement l'énergie nucléaire civile exploitée pour la production d'électricité en tentant d'expliquer simplement et indépendamment de tout lobby les réels problèmes environnementaux que pose la multiplication des réacteurs nucléaires.

La catastrophe de Fukushima et le florilège de mensonges et d'inepties entendues sur les média et proférées par divers consultants ou pseudo experts autoproclamés nous ont incité à écrire ce chapitre afin de rétablir quelques vérités et de permettre à tous nos compatriotes de comprendre ce qu'est réellement ce domaine. où le culte de la transparence et le principe de précaution, si chers à nos gouvernants quand il s'agit d'épidémie virale quasi imaginaire, sont malheureusement inexistants.

La fission nucléaire

Rappelons que tous les atomes sont constitués d'un noyau comportant deux types de particules, les protons qui sont chargés électriquement positivement et les neutrons qui comme l'indique leur nom sont neutres, et ce noyau est entouré d'une couronne d'électrons chargés négativement et normalement en nombre égal au nombre de protons. De nombreux matériaux possèdent des isotopes, c'est à dire des variantes ayant les mêmes propriétés chimiques car leur nombre de protons et d'électrons sont inchangés mais qui possèdent quelques neutrons en plus. Fréquemment ces isotopes sont radioactifs c'est à dire instables et spontanément vont expulser leurs neutrons en excès.
L'uranium235 est le matériau de choix pour la fission nucléaire. Par absorption d'un neutron il va se casser en deux morceaux instables qui vont eux-mêmes se transformer en produisant une grande quantité d'énergie. Pratiquement la quasi totalité des éléments chimiques connus peuvent être obtenus sous forme d'isotopes instables dans cette fission, certains en quantités infinitésimales tandis que d'autres seront prépondérants. Il y a donc une infinité de réactions de fission possibles. Nous ne donnerons ici qu'un seul exemple. Ainsi il se peut que notre atome d'uranium donne naissance à du Krypton et du Baryum selon la réaction ci-dessous
avec une émission d'énergie de l'ordre de 200MeV (à comparer avec ce qui se produit dans une réaction chimique exothermique classique qui ne va dégager que quelques eV)
Mais ces deux atomes sont eux mêmes très instables et chacun séparément va se transformer
Cette fission s'opère donc en plusieurs étapes et chaque étape (ou transformation ) s'accompagne d'un dégagement d'énergie très très important, dans l'exemple choisi il s'agit d'expulsion de rayons béta via la transformation d'un neutron en proton avec expulsion de l'excès d'énergie sous forme de béta (c'est à dire d'électron). Le rythme auquel cette fission se produit naturellement est extrêmement variable d'une étape à une autre et la périodicité de cette réaction peut pour l'une être à l'échelle de la seconde, tandis que pour l'avant dernière l'échelle se compte en millions d'années avant de donner du niobium stable et il existe de nombreuses variantes. Ainsi le Baryum 140 va se transformer en Cérium en seulement deux étapes et quelques jours. Parmi cette multitude de réactions possibles on aura aussi parfois lors d'une réaction de fission des neutrons expulsés avec une très grande vitesse (et ce cas est très exploité comme on va le voir ci-après), et souvent le trop plein d'énergie se manifestera par ce qu'on appelle les rayonnements alpha, béta ou gamma, les gamma étant les plus énergiques et de facto les plus potentiellement dangereux..

Dans un réacteur nucléaire l'idée fondamentale mise en oeuvre consiste à récupérer cette énergie de fission (les 200MeV de la première réaction) pour chauffer de l'eau et, avec la vapeur ainsi produite, entrainer une turbine et un générateur électrique comme dans une centrale thermique à fuel. Le principe est donc très simple, mais les phénomènes secondaires liés à cette fission sont particulièrement importants et potentiellement hyper-dangereux ainsi qu'on va le préciser dans la suite.

les matériaux

Il existe une grande quantité d'isotopes radioactifs dans la nature, mais la plupart ne semblent pas intéressants pour constituer le combustible d'un réacteur nucléaire soit parce que leurs sources sont trop dispersées, soit que leur transformation ne s'opère pas sur une échelle de temps convenable (beaucoup trop rapide ou au contraire trop lente). L'uranium a semblé être le meilleur compromis pour une exploitation industrielle. Il y a des ressources naturelles relativement importantes (mais au rythme de son exploitation actuelle dans moins d'un siècle les réserves exploitables seront épuisées) au Niger, au Canada, en Australie, au Kazakhstan... L'uranium 235 possède une période de 700 millions d'années ce qui signifie que sa désintégration spontanée en Thorium est très lente (au bout d'une telle période la moitié de l'uranium 235 sera transformée en Thorium et il en resterait donc encore 50%). Mais il existe plusieurs isotopes de l'uranium et celui qui nous intéresse ici est naturellement mélangé aux autres et ne représente dans le minerai qu'une infime proportion environ 0.7%.

Pour l'utiliser dans nos centrales il convient donc dans un premier temps de le concentrer ce qui est une opération réalisée par un procédé d'enrichissement physique (on ne peut exploiter de réaction chimique car il est impossible de différencier chimiquement l'U235 de son voisin U238) basé sur la différence très minime de densité des 2 isotopes en particulier lorsqu'ils sont à l'état de vapeur. Pourquoi est-il nécessaire de concentrer l'U235? La raison est la suivante lorsqu'un atome d'U235 subit une fission il émet souvent quelques neutrons rapides. Ceux-ci peuvent rencontrer un autre atome d'U235 et grâce à leur énergie provoquer instantanément la fission de ce second atome qui sans eux n'aurait peut-être eu lieu que dans 700 millions d'années. Mais pour que cela se produise avec un rendement satisfaisant il faut que ces neutrons ne rencontrent pas préalablement un atome non fissile. On doit donc pour assurer cette réaction de fission en chaine et provoquer ainsi une émission d'énergie importante avoir préalablement concentré l'U235 à un certain taux d'environ 3% (il ne faut pas non plus un matériau trop enrichi car alors on ne maitriserait plus la réaction en chaine et on obtiendrait une explosion nucléaire, c'est évidemment le risque fondamental en cas d'accident d'une centrale. Nous y reviendrons).

la centrale

Pour cette application on fabrique des pastilles d'oxyde d'uranium que l'on empile dans des gaines de zircone ce qui forme des espèces de crayons étanches (ou barres de combustible) que l'on va placer en général verticalement dans la cuve du réacteur. Le zirconium a été choisi pour contenir les pastilles d'uranium car c'est un matériau à point de fusion élevé et très résistant au bombardement des neutrons. Ces barres de combustible vont alors être mises en contact direct avec l'eau du circuit primaire qui va se vaporiser en raison de l'énorme énergie générée par les réactions de fission dans les barres et le circuit étant en principe étanche la vapeur va atteindre une pression très importante, circuler dans le circuit et venir réchauffer l'eau du circuit secondaire (en bleu) dont la vapeur va traditionnellement entrainer le générateur.

figure sous licence wikipédia

Pourquoi un double circuit de vapeur? Il est évident que sur le plan du rendement c'est catastrophique, mais le circuit primaire est en contact étroit avec les barres de combustible et un certain nombre de neutrons émis par la fission d'atomes d'U235 ne vont pas participer à la réaction en chaine mais s'échapper dans le circuit primaire. Ils vont alors provoquer des réactions nucléaires dans l'eau qui va se décomposer en oxygène et hydrogène et dans ce circuit primaire on va progressivement voir apparaitre des isotopes radioactifs de l'hydrogène (deutérium et tritium) dont les propriétés chimiques sont sensiblement celles de l'hydrogène mais qui sont des substances radioactives nocives. Si pour une raison quelconque (généralement emballement de la réaction de fission en raison par exemple d'une insuffisance de refroidissement du circuit primaire par le secondaire) la pression dépasse un certain seuil le système dit pressuriseur sur le schéma va voir une soupape de "sécurité" (ou d'insécurité) s'ouvrir et le mélange de vapeurs va s'échapper dans l'enceinte supposée étanche. Mais le mélange hydrogène (ou ses isotopes)/oxygène est explosif dès que la proportion d'hydrogène dépasse 7% dans l'air. C'est ce qui s'est passé dans la centrale de Fukushima et l'enceinte de sécurité n'a pas résisté.


l'implantation des réacteurs français avec leur date de mise en service

les problèmes

Le principal problème d'une centrale nucléaire c'est évidemment l'emballement thermique qui est une augmentation incontrôlée de la réaction de fission. Dans un premier temps cela entraine une augmentation de température, donc de la pression dans le circuit primaire de refroidissement avec le risque d'explosion lié à l'hydrogène et ses isotopes. Une telle explosion si elle n'est pas contenue dans l'enceinte de sécurité va conduire à répandre dans l'environnement des quantités plus ou moins importantes de contaminants radioactifs ayant une forte activité. Si l'enceinte de confinement n'est plus étanche la réaction de fission pouvant se poursuivre l'expulsion d'éléments gazeux et radioactifs peut elle même se poursuivre pendant de longs jours. Si le refroidissement est interrompu la température continue à monter et les barres d'uranium peuvent fondre pour tout ou partie, y compris la gaine de protection à base de zirconium et dans ce cas plus rien n'empêche des éléments plus dangereux d'interagir avec l'environnement. Ainsi au Japon la tentative de refroidissement du coeur du réacteur non protégé, avec de l'eau de mer, a entrainé la formation de divers produits radioactifs très dangereux par suite de l'interaction de l'eau de mer (et de ses constituants salins) avec l'uranium en fusion tels l'iode 131 et le césium 137 qui se sont vaporisés et entrainés par les vents vont retomber à des dizaines ou des milliers de kilomètres. En outre l'eau de mer ainsi polluée va retourner à la mer et les poissons et fruits de mer vont concentrer les éléments radioactifs.

Comment peut-on arrêter la fission ? En règle générale on dispose de barres de graphite qui peuvent être descendues dans les interstices entre les barres de combustible. Le graphite absorbe bien les neutrons qui s'échappent d'une barre et ainsi vont permettre (en théorie) d'interrompre la poursuite de la fission et par conséquent aider au refroidissement de l'ensemble. Ainsi en jouant sur la position des barres de graphite on peut réguler la température. Bien évidemment cela fonctionne bien quand on dispose d'un mécanisme déplaçant ces barres de graphite en état de marche. Si pour une raison ou une autre ce mécanisme n'est plus alimenté en électricité on constate (ce fut le cas vraisemblablement à Fukushima) que les barres de graphite se coincent plus ou moins et n'assurent pas parfaitement leur rôle de "modérateur" et dans ce cas la fission s'emballe et peut conduire à la fusion partielle plus ou moins imporante des barres de combustibles avec tous les risques consécutifs d'expulsion de matériau hautement radioactif dans l'enceinte. D'autant que l'élévation excessive de température conduit à l'ouverture explosive de la soupape de sécurité et en outre fragilise l'enceinte primaire du réacteur qui est en acier. Laquelle peut avoir déjà vieilli par suite du bombardement permanent auquel elle est soumise par les neutrons qui n'ont pas été "arrêtés" dans l'eau et n'ont pas non plus servi à provoquer la continuation de la fission dans une autre barre de combustible.

Si en catastrophe on tente de refroidir l'enceinte avec de l'eau de mer on voit que de nouvelles interractions radioactives vont se produire avec les constituants de l'eau de mer et tout particulièrement l'iode ou le césium conduisant à la formation d'isotopes radioactifs de ces matériaux (et d'autres).

Rappelons que la période du Cs 137 est de 30 ans donc sa dangerosité est à l'échelle d'une vie humaine (rappelons qu'une période de X années signifie qu'au bout de X années la moitié du matériau aura perdu sa radioactivité et qu'il en reste donc encore la moitié en activité), tandis que la période de l'iode 131 est de 8 jours ce qui signifie que pendant quelques jours il va être extrêmement actif puis son activité va décroitre assez rapidement (au bout d'un mois et demi seul 1% de l'iode 131 sera encore actif et seulement environ 0.08% au bout d'un an).

Si une partie du combustible a été disséminée c'est évidemment infiniment plus dramatique car la période de l'U235 est de 700 millions d'années, celle du plutonium239 qui se forme dans nombre de centrale est de plus de 24000 ans et non seulement c'est un matériau radioactif mais en plus c'est un poison chimique ce qui décuple sa dangerosité. Ainsi la zone autour de Tchernobyl sur plusieurs centaines de kilomètres comporte dorénavant des atomes de plutonium en liberté sans qu'on puisse facilement le mettre en évidence et personne ne peut objectivement affirmer que sur des milliers d'années c'est inoffensif. Notons qu'un microgramme de plutonium est mortel pour l'homme en quelques semaines et un microgramme c'est un grain de poussière absolument invisible à l'oeil nu.

Une autre difficulté notoire et potentiellement hyperdangereuse est le vieillissement des circuits de refroidissement soumis en permanence à la conjonction de température et pression élevée à laquelle s'ajoute surtout pour le circuit primaire la radioactivité et les neutrons (mais aussi pour les autres car les neutrons ne s'arrêtent pas sur commande à la limite de l'enceinte primaire). Il en résulte obligatoirement des fuites d'un circuit de refroidissement dans l'autre parfois catastrophiques dans leurs conséquences environnementales. En France il est très difficile d'obtenir la moindre information sur ces incidents, mais aux USA on compte ceux-ci par dizaines chaque année et il semble peu vraisemblable que les réacteurs d'EdF dont l'entretien est confié à des sous-traitants (dont les techniciens sont sous payés et sont contraints de se déplacer en permanence sur l'ensemble du territoire national d'une centrale à l'autre) soient exempts des problèmes que rencontrent leurs homologues étrangers.

Une autre remarque importante que les pseudo-experts autoproclamés oublient systématiquement. On sait depuis les travaux de Carnot au 18ème siècle que lorsqu'on transforme une énergie en une autre cela s'effectue avec un rendement médiocre (maximun 43% mais plus souvent pratiquement aux alentours de 30%). Cela signifie que pour un réacteur produisant 1300GW/h d'électricité il y a environ 2600GW/h d'énergie perdue en chaleur dans le circuit de refroidissement. Cette chaleur est en partie libérée dans l'environnement immédiat (l'air) de la centrale qui émet en permanence un panache de vapeur d'eau (voir photo ci-dessus) dont on espère qu'elle n'est pas contaminée, mais principalement dans l'eau de mer du circuit secondaire de refroidissement, c'est à dire dans la mer. Cela conduit à une augmentation locale de la température de l'eau de mer qui favorise l'implantation de certains poissons, mais aussi des coquilles St Jacques. Dans la zone proche de Penly j'ai pu identifier en hiver des phoques gris qui ne sont pas habituels dans cette zone de la Manche mais qui la fréquentent régulièrement depuis l'implantation de la centrale puisque la température de l'eau est localement semblable à celle qu'ils trouvaient auparavant au large du Maroc qui était leur zone traditionelle d'hivernage. En cas de fuite radioactive du circuit primaire il est possible et même probable que des éléments radioactifs se retrouvent dans l'eau de mer et que les coquilles St Jacques concentrent dans leur chair de l'iode 131 ou du Césium 137... bon appétit !

Notons pour information que la centrale de Penly a subi ce type d'incident sans que personne ne soit informé officiellement dans la région (quel fut l'impact réel : secret industriel) et l'organisme chargé de contrôler la qualité de l'air en Seine Maritime (Air Normand) ne semble toujours pas équipé pour mesurer une éventuelle pollution radioactive (une simple visite sur internet vous confirmera que l'ensemble des mesures de pollution atmosphérique réalisées ignorent l'aspect radioactivité et ceci pour l'ensemble des 40 associations chargées officiellement du contrôle de la pollution en France : http://buldair.org ).

les déchets

Comme on a pu le comprendre l'oxyde d'uranium 235 se transforme progressivement en un mélange très complexe de matériaux finalement inefficaces pour entretenir la température de plus de 300°C du circuit primaire, mais comportant de dangereux éléments radioactifs libérant pendant des millénaires des neutrons et surtout des rayonnements alpha, béta ou gamma (ces derniers étant les plus énergétiques sont capables de traverser des parois importantes et sont les plus dangereux pour les biotopes qu'il s'agisse des plantes ou des animaux et des hommes). Et ici encore personne ne peut garantir l'étanchéité des stockages de déchets radioactifs pendant des millénaires et l'irresponsabilité des exploitants de l'énergie nucléaire (et des gouvernements qui leur sont liés, pour le plus grand bénéfice de quelques actionnaires) fait craindre des conséquences très dramatiques pour les générations futures. Personne ne peut garantir que les sites d'enfouissement de ces déchets ne seront pas victimes d'un tremblement de terre catastrophique. Il y a quelques 20000 ans la Manche n'existait pas et les Iles Britanniques faisaient partie de l'Europe continentale et les Vosges faisaient partie de la Forêt Noire pour ne citer que ces deux exemples montrant que notre planète évolue dans le temps avec des séismes assez fantastiques et qu'aucune zone de la planète n'est définitivement à l'abri même si depuis quelques siècles il ne s'est rien passé (rappelons que la période du plutonium dépasse 24000 ans).

aspect financier

Le coût d'investissement des centrales nucléaires est assez pharamineux et à la différence des centrales à fuel le coût du démantèlement d'une centrale usagée est encore plus gigantesque (et risque fort de dépasser les coûts imaginés par les industriels du nucléaire) et donc très supérieur au coût de construction. Et comme précisé ci-avant tous les éléments contaminés resteront radioactifs ou généreront des déchets radioactifs pendant des siècles. EDF estimait à 48 milliards d’euros ces opérations de démantèlement et décontamination qui se dérouleraient entre 2017 et 2080, tandis que l’éventuel centre de stockage profond mobilisera des moyens jusqu’en 2070 pour un coût estimé de 35 milliards d'euros. Notons aussi que notre uranium est importé à 100% du Canada, du Niger ou du Kazakhstan et qu'en aucun cas nous sommes rendus indépendants énergétiquement grâce au nucléaire et que les prix de l'uranium vont croitre énormément dans les années à venir en raison de sa raréfaction.

Sortir du nucléaire

Les accidents gravissimes liés au nucléaire incitent à se poser la question : est-il possible de sortir du nucléaire? La réponse est oui, mais en une dizaine d'années. Le nucléaire représente en 2011 17% de l'énergie consommée en France, mais près de 80% de la production d'électricité. Même s'il serait souhaitable d'arrêter cette folie nucléaire (ce que vont faire les allemands) on ne peut le faire en quelques jours et ce d'autant plus que depuis 1970 on a supprimé, en France, la quasi totalité des crédits de recherche pour le développement des énergies renouvelables. Alors que la France était en 1970 leader sur le plan recherche en terme d'électricité photovoltaïque, avait imaginé l'utilisation de l'énergie des marées,... rien n'a été fait par la suite pour développer ces procédés plus raisonnables, moins dangereux pour l'environnement et l'homme et surtout les industrialiser. Aussi aujourd'hui nous sommes contraints d'importer de l'étranger nos éoliennes, nos panneaux photovoltaïques, etc... Mais en combinant les facteurs d'économies d'énergie et la création d'une véritable industrie du renouvelable (créatrice d'emplois : à titre d'exemple plus de 200000 ont déjà été créés en Allemagne rien que pour le solaire et l'éolien) on pourrait se débarrasser du nucléaire en une dizaine d'années. C'est le projet de l'organisation negawatt (http:// www.negawatt.org) C'est un problème de volonté politique.