QUE SAIS-JE ?

L’énergie nucléaire

PAUL REUSS

Ancien professeur à l’Institut national des sciences et techniques nucléaires

Quatrième édition mise à jour

12e mille

Du même auteur

Traité de neutronique, Hermann, 1978 et 1985, en collaboration avec Jean Bussac.

Éléments de physique nucléaire à l’usage du neutronicien, Institut national des sciences et techniques nucléaires, 1981, 1987 et 1995.

Éléments de neutronique, Institut national des sciences et techniques nucléaires, 1986 et 1995.

Clefs pour la neutronique des réacteurs à eau sous pression, Institut national des sciences et techniques nucléaires, 1990.

La neutronique, PUF, « Que sais-je ? », n° 3307, 1998.

Précis de neutronique, EDP Sciences, coll. « Génie atomique », 2003.

Exercices de neutronique, EDP Sciences, coll. « Génie atomique », 2004.

L’énergie nucléaire, une histoire scientifique et industrielle, EDP Sciences, coll. « Génie atomique », 2007.

Énergie, électricité et nucléaire, EDP Sciences, coll. « Génie atomique », 2008, en collaboration avec Gilbert Naudet.

Neutron Physics, EDP Sciences, coll. « Nuclear Engineering », 2008.

Tchernobyl, 25 ans après… Fukushima. Quel avenir pour le nucléaire ?, Lavoisier, 2011, en collaboration avec Michel Chouha.

978-2-13-061002-1

Dépôt légal – 1re édition : 1994

4e édition mise à jour : 2012, mai

© Presses Universitaires de France, 1994
6, avenue Reille, 75014 Paris

Avant-propos

Une présentation accessible à un large public des questions de l’énergie nucléaire a été mon objectif. Évitant les détails qui n’auraient intéressé que le spécialiste, j’ai voulu apporter les éléments permettant à chacun de se forger une opinion correcte sur les avantages et les inconvénients de cette source d’énergie.

Les deux premiers chapitres, situant le contexte des besoins en énergie et présentant une centrale nucléaire, introduiront le sujet. Les chapitres III-IV-V-VI apporteront les éléments de physique nécessaires pour comprendre comment fonctionne un réacteur et ce qu’est la radioactivité. Les problèmes industriels seront ensuite abordés aux chapitres VII et VIII. En conclusion, une analyse des spécificités de cette source d’énergie fera l’objet du chapitre IX.

Jean Teillac et Yves Chelet, à l’époque respectivement haut-commissaire à l’énergie atomique et directeur de l’INSTN, m’avaient encouragé à rédiger ce texte. Il doit beaucoup aussi à mes collègues et aux quelques centaines d’étudiants que j’ai initiés à la neutronique.

Je dédiais la première édition de ce livre à mon épouse Geneviève et à nos fils Didier et Rémi qui m’avaient lancé ce défi : parler d’énergie nucléaire en dehors du cercle des spécialistes ! J’y ajoute aujourd’hui nos petits-enfants Margot, Romain, Alyssa, Léna et Rivel.

Chapitre I

L’énergie

Si nous regardons autour de nous, nous voyons la matière : la matière est la substance de tout ce qui nous entoure, la terre et les étoiles, les arbres, les maisons, les objets familiers…, et nous-mêmes.

Cette matière n’est pas inerte : les étoiles brillent et le soleil nous envoie sa chaleur, le vent souffle dans les arbres, les aliments cuisent dans la cocotte, les animaux et nous-mêmes, nous nous déplaçons. C’est l’énergie qui anime et transforme la matière.

L’homme a besoin d’énergie, en premier lieu pour lui-même – c’est pour cela qu’il mange –, ensuite, et en bien plus grande quantité, pour toutes ses activités.

Par exemple, la flamme de la cuisinière, c’est de l’énergie permettant de faire cuire les aliments qui, eux-mêmes, contiennent de l’énergie que notre corps utilisera pour vivre. Quand on branche l’aspirateur, on capte l’énergie électrique amenée par les fils pour faire fonctionner l’appareil. Le plein à la station-service fournit une réserve d’énergie qui, brûlée dans le moteur, permettra de propulser le véhicule.

Sans cesse, sans même y prêter attention tant cela nous est naturel, nous consommons de l’énergie ; l’industrie qui fabrique tous les objets que nous utilisons en a aussi besoin de grandes quantités.

Voici les chiffres de la consommation pour la France (tableau ci-dessous) : ce que chacun d’entre nous consomme en moyenne (3,3 kW) équivaut à une quarantaine de « serviteurs » en permanence à sa disposition ! (Le travail musculaire d’un homme fait environ 75 W.)

Secteur
Mtep
%

Sidérurgie
5
3

Autres industries
31
19

Agriculture
4
3

Résidentiel et tertiaire
68
43

Transports
50
32

Total

158
100

Tableau 1. – Consommation finale d’énergie en France en 2010, par secteurs (Mtep est l’abréviation de « million de tonnes d’équivalent pétrole » ; l’énergie que l’on peut extraire d’une tonne de pétrole (tep) correspond à 11 600 kWh ; un kWh est l’énergie consommée pendant une heure par une machine de 1 kW, soit 3 600 000 J).

Les quelques exemples que nous avons évoqués montrent qu’il y a différentes formes d’énergie. Parce que nous savons transformer une forme d’énergie en une autre, nous disons qu’il s’agit d’une même « entité », mais présentant plusieurs aspects.

Parfois, nous pouvons dire que l’énergie est « visible », ou presque : nous parlerons alors d’énergie libre. C’est le cas du rayonnement (la lumière), de la chaleur, de l’énergie cinétique (le mouvement) et de l’électricité. Cette dernière forme d’énergie libre est particulièrement pratique, pour deux raisons : la première est qu’elle est facile à transporter, puisqu’il suffit de tendre deux fils métalliques ; la seconde raison est qu’on sait aisément transformer l’électricité en une autre forme d’énergie.

Dans d’autres cas, au contraire, l’énergie est « cachée », et nous parlerons alors d’énergie stockée. On peut distinguer deux modes de stockage :

Pour saisir ce qu’est l’énergie potentielle, il suffit d’imaginer un rocher placé au sommet d’une montagne ; lâchons ce rocher pour le laisser dévaler la pente ; son énergie potentielle sera libérée sous forme de mouvement (énergie cinétique).

Pour l’autre type de stockage, l’énergie est emmagasinée au sein même de la matière, sous forme d’énergie chimique ou sous forme d’énergie nucléaire. Par exemple, de l’énergie est emmagasinée par les produits placés dans une pile électrique ; quand on ferme le circuit, elle est libérée pour faire fonctionner un appareil. De même l’essence contient de l’énergie transformée en chaleur dans les chambres de combustion d’un moteur, puis en mouvement par les pistons et les bielles. Les physiciens ont découvert au XXe siècle que dans l’uranium était stockée une très grande quantité d’énergie nucléaire : les réacteurs nucléaires sont les machines qui extraient cette énergie.

Les transformations d’une forme d’énergie en une autre sont de deux types :

– soit la libération d’énergie stockée ou, inversement, le stockage d’énergie libre ;

– soit le passage d’une forme à une autre d’énergie libre.

Le schéma ci-dessous récapitule les transformations d’énergie libre que nous savons faire. Toutes les combinaisons y apparaissent sauf la transformation directe de rayonnement en mouvement et vice versa, sans application industrielle.

Il est important de souligner que dans toute transformation il y a des pertes sous forme de chaleur. Par exemple, dans une ampoule, une partie de l’électricité est transformée en lumière et l’autre en chaleur. De même, chacun peut remarquer qu’un moteur électrique ou à essence finit par chauffer et qu’un effort musculaire permet de se réchauffer quand il fait froid.

Figure 1. – Transformations des formes d’énergie libre

Il faut aussi retenir que l’on ne peut pas transformer intégralement la chaleur dont on dispose en une autre forme d’énergie libre, notamment en mouvement. La raison en est que l’on ne peut exploiter qu’une différence de températures entre une « source chaude » et une « source froide ».

Ces deux remarques se résument en disant que la chaleur est la forme la plus dégradée d’énergie libre.

Nous savons aussi réaliser un certain nombre de transformations pour passer d’une énergie stockée à une énergie libre, et inversement. En voici quelques exemples :

– L’usine hydroélectrique transforme l’énergie potentielle de l’eau retenue derrière le barrage en électricité. Inversement, si l’on pompe de l’eau d’un lac à basse altitude vers une retenue plus élevée, on stocke de l’énergie.

– En chargeant une batterie d’accumulateurs, on stocke sous forme chimique de l’énergie électrique qui sera à nouveau libérée lors de la décharge.

– Quand on brûle de l’essence, on libère sous forme de chaleur l’énergie qui s’y trouvait stockée : c’est la combustion. Inversement, la fabrication de produits énergétiques tel l’hydrogène est un stockage d’énergie.

Nous verrons que dans un réacteur nucléaire, se produit une autre sorte de combustion qui libère l’énergie nucléaire stockée dans l’uranium.

C’est sous forme d’énergie libre que l’homme consomme l’énergie : chaleur pour se chauffer, mouvement pour se déplacer, lumière pour s’éclairer, électricité pour faire fonctionner les appareils ménagers, etc. Où va-t-il trouver l’énergie dont il a besoin ? Deux solutions sont possibles : soit capter l’énergie libre, soit libérer de l’énergie stockée. Examinons quelles sont les sources dont on dispose.

La plus grosse partie de l’énergie utilisée aujourd’hui par l’homme vient de l’exploitation des stocks que la nature a constitués. Exploiter un stock est, en effet, une solution a priori facile. L’inconvénient est qu’un stock s’épuise et, quand on aura tout prélevé, il faudra nécessairement trouver autre chose…

Les sources d’énergie stockée sous forme chimique, au sein de la matière, sont le pétrole, le gaz naturel, le charbon, les schistes bitumineux, le bois (pour ce dernier, le stock est restreint mais la nature le renouvelle).

L’autre stock important à notre disposition est le stock d’énergie nucléaire sous forme d’uranium. Il serait également possible d’exploiter le thorium, métal lourd comme l’uranium. Pour le long terme, une autre forme d’énergie nucléaire, basée sur le deutérium, une variété d’hydrogène, et le lithium, constituera peut-être une source presque inépuisable.

L’énergie nucléaire peut être considérée comme une énergie nouvelle. En effet, le processus de fission qui permet de la libérer a été découvert quelques mois avant que les hostilités de la Seconde Guerre mondiale n’éclatent. Ces circonstances ont fait que cette découverte fut d’abord exploitée par les militaires : la bombe atomique, sous la même taille qu’une grosse bombe classique, avait une puissance incommensurablement plus grande, comme l’ont montré, en 1945, l’explosion expérimentale d’Alamogordo puis les destructions d’Hiroshima et de Nagasaki.

La paix revenue, les principaux pays industriels ont cherché à tirer parti, pour des utilisations pacifiques, de l’énorme quantité d’énergie concentrée au sein de l’uranium. Les premiers prototypes de réacteurs nucléaires ont commencé à produire de l’électricité dans les années 1950 ; en 1975, on a commencé à parler de la « maturité de l’énergie nucléaire ». Aujourd’hui, la France, par exemple, dispose de 58 réacteurs fournissant les trois quarts de son électricité (premier rang mondial pour cette proportion).

Pour maîtriser l’utilisation de ce stock d’énergie, les ingénieurs ont dû résoudre de difficiles problèmes technologiques. Le plus connu – mais non le seul – est lié à la radioactivité. Ce phénomène fut découvert à la fin du XIXe siècle ; il a fallu des années, et des accidents, pour comprendre que les éléments radioactifs émettaient des rayonnements dangereux pour notre organisme mais que nous sommes incapables de déceler avec nos cinq sens.

Aujourd’hui, ce risque est connu et l’on sait « gérer » les produits radioactifs provenant des activités nucléaires : des appareils précis et fiables peuvent détecter les plus infimes rayonnements et des règles strictes ont été établies.

L’autre possibilité qu’a l’homme pour se procurer de l’énergie consiste à capter l’énergie libre qu’il a en quelque sorte « sous la main » dans ses formes de mouvement, de chaleur et de rayonnement (mais pas d’électricité).

– Un mouvement facile à capter est celui des torrents et des fleuves qui descendent des montagnes. Il peut être transformé en électricité par une turbine actionnée par la chute d’eau et couplée à un alternateur. En France, à peu près tous les sites intéressants pour cette hydroélectricité ont été équipés. Les autres mouvements que l’on peut tenter de capter sont ceux du vent (énergie éolienne), des marées, des courants marins, voire des vagues.

– Les profondeurs de la Terre sont très chaudes : les volcans en témoignent. En injectant de l’eau à grande profondeur et en la récupérant, réchauffée, cette source géothermique peut être utilisée pour le chauffage urbain, voire pour produire de l’électricité.

– Autre source d’énergie libre (rayonnement) : l’énergie solaire. Séduisante car extrêmement abondante, elle est malheureusement, d’une part, très dispersée, puisque distribuée sur toute la surface de la Terre, d’autre part, intermittente, puisque moins intense les jours où le soleil est voilé par les nuages et absente la nuit. L’utilisation la plus immédiate de l’énergie solaire est le chauffage d’habitations et la production domestique d’eau chaude grâce à des capteurs placés sur les toits. On sait aussi transformer directement ce rayonnement en électricité mais cela n’est envisageable, du moins actuellement, que pour de petites installations. Par exemple, la plupart des satellites envoyés dans l’espace sont alimentés en énergie grâce à des panneaux de cellules solaires fournissant l’électricité à bord. Les plantes sont capables de capter l’énergie solaire grâce à la chlorophylle de leurs feuilles : c’est ainsi qu’elles poussent et qu’elles permettent la vie sur Terre. Quand nous nous alimentons, nous utilisons cette énergie stockée ; nous le faisons aussi dans nos activités, par exemple en brûlant du bois. Cette biomasse – une source d’énergie solaire que l’homme a utilisée bien avant de lui avoir donné ce nom ! – sera certainement amenée à se développer. Remarquons en passant que, confinés sous terre pendant des centaines de millions d’années, les débris végétaux finissent par se transformer en pétrole, gaz ou charbon : c’est là l’origine de ces stocks. Mais nous les détruisons beaucoup plus rapidement que la nature ne les reconstitue.

Voilà ce dont nous disposons. Le tableau ci-dessous permet de se faire une idée de l’importance respective des diverses sources d’énergie pour couvrir les besoins de notre pays. La ligne « énergies renouvelables thermiques » regroupe les énergies libres captées pour le chauffage.

Source
Mtep
%

Charbon
6

4

Pétrole

66
42

Gaz naturel
34
21

Électricité (dont nucléaire : 74 %)
38
24

Énergies renouvelables thermiques
14
9

Total

158
100

Tableau. 2 – Consommation finale d’énergie en France en 2010, par sources (Mtep : voir le tableau précédent)

En comparant ces chiffres avec ceux, par exemple, de 1973, on constate que la mise en place du programme nucléaire a entraîné une baisse importante de la source « pétrole ». Les difficultés d’exploiter à grande échelle les « énergies nouvelles » font que ce poste n’augmente que faiblement au fil des ans. Cette comparaison montre aussi que la consommation d’énergie n’a pas suivi l’augmentation générale de l’activité économique : la prise de conscience des ressources limitées de notre planète et les « crises » du pétrole ont conduit à une nouvelle « source » qui est loin d’être négligeable, celle des économies d’énergie obtenues par une meilleure utilisation (amélioration des rendements).

Chapitre II

Dans une centrale nucléaire

Il est très facile de faire brûler de l’essence : si l’on approche une allumette, une flamme jaillit (l’expérience peut même être dangereuse !). Enflammer du charbon est un peu plus délicat mais avec un peu de persévérance on y parvient. C’est dire que déstocker l’énergie chimique est aisé ; l’homme préhistorique savait déjà le faire. Grâce à la combustion, cette énergie est libérée sous forme de chaleur (et un peu de rayonnement).

Libérer l’énergie nucléaire que contient l’uranium se fait aussi par une combustion, mais une combustion d’une autre nature. Ce n’est que durant les premières décennies du XXe siècle que les physiciens ont découvert l’existence de cette énergie cachée au cœur des atomes. Et ce n’est qu’en 1942 que la première combustion nucléaire a été obtenue par Enrico Fermi à Chicago (voir chap. VII). Depuis cette date les progrès ont été rapides : la combustion nucléaire est devenue une source importante d’énergie parmi d’autres plus classiques.

Comme la combustion chimique, la combustion nucléaire libère l’énergie sous forme de chaleur. Cette combustion se fait dans un réacteur nucléaire. Généralement cette chaleur est transformée en électricité par d’autres machines placées près du réacteur. L’ensemble – le réacteur et ces autres organes – est appelé centrale nucléaire. (Électricité de France place souvent plusieurs réacteurs sur un même site et parle alors de tranches de la centrale nucléaire.)