Centrale nucléaire

Une centrale nucléaire est un site industriel destiné à la production d'électricité, qui utilise comme chaudière au moins un réacteur nucléaire alimenté en combustible nucléaire pour produire de la chaleur. L'énergie d'une centrale nucléaire provient de la fission de noyaux d'atomes lourds. L'énergie cinétique des produits de fission génère alors de la chaleur qui, comme pour toute centrale thermique conventionnelle, vaporise de l'eau, la vapeur d'eau entraînant en rotation une turbine accouplée à un alternateur qui produit à son tour de l'électricité. C'est la principale application de l'énergie nucléaire dans le domaine civil.

Une centrale nucléaire est constituée d'un ou plusieurs réacteurs nucléaires dont la puissance électrique varie de quelques mégawatts à environ 1 500 mégawatts (860 MW en moyenne pour les réacteurs actuellement en service)^[1].

On compte dans le monde environ 200 centrales nucléaires qui ont produit 10,8 % de l'électricité mondiale en 2013^[2]. Ces centrales comptent en juin 2015 un total de 438 réacteurs en fonctionnement (y compris 43 réacteurs japonais à l'arrêt), dont la puissance atteint 379 GW ; 67 réacteurs sont en cours de construction^[1].

Histoire

Années 1950 : premières centrales

La première centrale nucléaire du monde, à avoir produit de l'électricité (puissance de quelques centaines de watts), est l'Experimental Breeder Reactor I (EBR-I), construite au laboratoire national de l'Idaho aux États-Unis. Elle entre en service le 20 décembre 1951^[3]. Le 27 juin 1954, une centrale nucléaire civile est connectée au réseau électrique à Obninsk en Union soviétique, avec une puissance de production d'électricité de cinq mégawatts. Les centrales nucléaires suivantes furent celles de Marcoule dans la vallée du Rhône le 7 janvier 1956, de Sellafield au Royaume-Uni, connectée au réseau en 1956, et le réacteur nucléaire de Shippingport aux États-Unis, connecté en 1957. Cette même année, les travaux de construction du premier réacteur à usage civil en France (EDF1) démarrèrent à la centrale nucléaire de Chinon.

De 1960 à 1986 : croissance rapide

La puissance nucléaire mondiale a augmenté rapidement, s'élevant de plus de 1 gigawatt (GW) en 1960 jusqu'à 100 GW à la fin des années 1970, et 300 GW à la fin des années 1980.

Pendant l'année 1970, la construction de 37 nouveaux réacteurs était en cours et 6 étaient mis en service opérationnel. Entre 1970 et 1990 étaient construits plus de 5 GW par an (avec un pic de 33 GW en 1984).

Plus des deux tiers des centrales nucléaires commandées après janvier 1970 ont été annulées notamment comme conséquence de l'accident nucléaire de Three Mile Island.

1986 : Tchernobyl

En 1986, la catastrophe de Tchernobyl a conduit à plusieurs moratoires ; la baisse des prix du pétrole durant les années 1990 a renforcé cette tendance, conduisant à construire moins de nouveaux réacteurs dans le monde. Parallèlement, les centrales vieillissent : en 2006, la majorité des réacteurs avaient de 15 à 36 ans, sept ayant de 37 à 40 ans^[4].

Les coûts économiques croissants, dus aux durées de construction de plus en plus longues, et le faible coût des combustibles fossiles, ont rendu le nucléaire moins compétitif dans les années 1980 et 1990. Par ailleurs, dans certains pays, l'opinion publique, inquiète des risques d'accidents nucléaires et du problème des déchets radioactifs, a conduit à renoncer à l'énergie nucléaire.

Le nombre de réacteurs nucléaires en construction dans le monde a commencé à diminuer en 1986, date de la catastrophe de Tchernobyl.
Il s'est ensuite stabilisé vers 1994, année à partir de laquelle le taux de mise en construction de nouveaux réacteurs a stagné entre 2 et 3 par an^[5].

En 1993, la production d'électricité nucléaire a atteint un record de 17% de la production électrique mondiale, qu'elle n'a plus jamais dépassé depuis lors^[6].

Années 2000 : relance annoncée

À partir du milieu de la décennie 2000, la croissance des besoins en énergie, associée à la remontée des prix des énergies (hausse du prix du pétrole et du gaz, taxe carbone…) a conduit certains experts à annoncer une renaissance du nucléaire en Europe, Asie et Amérique^[7]. Par exemple, la Finlande s'est engagée dans la construction d’un réacteur pressurisé européen (EPR) à Olkiluoto depuis 2003, la construction d’un EPR à Flamanville (France) est en cours depuis 2007 et 27 réacteurs sont aussi en construction en Chine^[8].

En 2005, seuls 3 nouveaux réacteurs étaient mis en construction dans le monde et 4 réacteurs achevés étaient connectés au réseau. La capacité mondiale a augmenté beaucoup plus lentement, atteignant 366 GW en 2005, en raison du programme nucléaire chinois.

En 2006, mais surtout 2007, la demande repart poussée par les besoins énormes de la Chine en énergie et la hausse généralisée du prix des énergies fossiles.

2011 : accident nucléaire de Fukushima

Mais la crise économique depuis 2008, et l'accident nucléaire de Fukushima ont provoqué une baisse de la production d'électricité d'origine nucléaire, de 4,3 % en 2011 par rapport à 2010. Des pays comme l'Allemagne, la Belgique, la Suisse et Taïwan, ont annoncé leur sortie du nucléaire. L'Égypte, l'Italie, la Jordanie, le Koweït, et la Thaïlande ont décidé ne pas s'engager ou se réengager dans le nucléaire. Les chantiers de dix-huit réacteurs en constructions affichent plusieurs années de retard, dont neuf en construction depuis plus de vingt ans^[9].

À la suite de l'accident nucléaire de Fukushima en 2011, un certain nombre de pays ont revu leur politique de développement de l'énergie nucléaire. Par exemple, l'Allemagne, en continuant d'acheter de l'énergie d'origine nucléaire à ses voisins européens^{[réf. souhaitée]}, a annoncé sa décision de fermer toutes ses centrales nucléaires avant fin 2022^[10], l'Italie a abandonné ses projets nucléaires^[11], la Suisse ne renouvellera pas ses centrales^[12], le Québec a fermé sa centrale nucléaire de Gentilly fin 2012^[13], le précédent gouvernement du Japon a annoncé une sortie du nucléaire d'ici 2030^[14], le gouvernement japonais issu des dernières élections est favorable à la remise en service de certaines des centrales nucléaires existantes (aucun réacteur en service actuellement) et ce malgré les résistances de la population^[15],[16], de même la Chine après avoir gelé les autorisations pour de nouveaux réacteurs ^[17] a décidé, fin 2012, d'une reprise des projets de construction de centrales nucléaires^[18],[19], etc.

Réacteurs nucléaires et centrales en projet

En juin 2015, 67 réacteurs nucléaires sont en construction (65,5 GW) dont 24 en Chine (23,8 GW)^[1]. La Chine vise 58 GW en 2020 et le dirigeant de CGN, He Yu, prévoit 150 à 200 GW installés pour 2030^[20]. La Russie construit 9 réacteurs sur son sol et truste une bonne partie des commandes internationales : l'agence fédérale Rosatom, qui revendique 100 milliards de dollars de contrats pour 23 projets de réacteurs à l'étranger, semble mener la course en tête, en s'appuyant sur les nouveaux entrants du nucléaire civil : le Vietnam comme le Bangladesh, qui n'ont aucune expérience dans le domaine, apprécient son offre « clés en main », assortie de financements fournis par l'État russe^[21].

En France, l'industrie nucléaire a conçu un réacteur de nouvelle génération EPR. EDF en a lancé la construction d'un démonstrateur ou prototype tête de série^[22] sur le site de Flamanville, dans la Manche, d'une puissance prévue de 1 600 MW. (Investissement d'un coût estimé à 3 milliards d'euros en 2003, revu à 5 milliards d'euros en 2010, revu à 6 milliards en juillet 2011 puis à 8,5 milliards en décembre 2012^[23],[24]).

Selon le scénario central des prévisions 2014 de l’Agence internationale de l’énergie (AIE), la part du nucléaire dans la production d’électricité s’accroîtra d’un point d'ici 2040, à 12 %, la puissance installée nucléaire s'accroissant de près de 60 %, à 624 gigawatts (GW), contre 392 GW en 2013 ; la géographie du nucléaire devrait se modifier profondément, avec un basculement vers l'Est : les capacités installées devraient ainsi presque décupler en Chine, à 149 GW, soit presque un quart de la puissance installée mondiale prévue pour 2040 ; les États-Unis enregistreraient une faible croissance et l’Union européenne serait la seule zone (avec le Japon) où l’atome enregistrerait une décroissance (– 14 %), la part du nucléaire dans la production d’électricité en Europe passant ainsi de 27 % à 21 %. Si la plupart des pays prolongent la durée de vie de leurs centrales mises en service dans les années 1970 et 1980, 200 des 434 réacteurs aujourd’hui exploités dans le monde seront en cours de démantèlement à l’horizon 2040. Le nombre de pays exploitant du nucléaire devrait passer de 31 en 2013 à 36 en 2040, y compris en tenant compte de ceux ayant annoncé leur sortie de l’atome (Allemagne, Suisse et Belgique)^[25].

Le rapport « The World Nuclear Industry », publié le 15 juillet 2015 par les consultants Mycle Schneider et Antony Froggatt, montre que le nombre de réacteurs nucléaires en exploitation est toujours très inférieur à son niveau de 2010, et qu'il y a de moins en moins de mises en chantier de nouveaux réacteurs : en 2014, on n'a compté que trois mises en chantier, en Argentine, en Biélorussie et aux Émirats arabes unis, et seulement deux sur les six premiers mois de 2015, en Chine, à comparer aux 15 démarrages de construction observés en 2010, et aux 10 de 2013. Au total, le nombre de réacteurs en construction sur la planète est tombé à 62 unités dans 14 pays (contre 67 il y a un an), dont 24 en Chine (40 %), 8 en Russie et 6 en Inde. Le rapport souligne que les trois quarts de ces chantiers subissent des retards avérés. Cinq d'entre eux (aux États-Unis, en Russie et en Slovaquie) sont même « en construction » depuis plus de trente ans ! Les réacteurs de troisième génération, en particulier, subissent de lourds retards, compris entre deux et neuf ans. C'est vrai pour les EPR d'Areva en France et en Finlande, mais aussi pour les huit AP1000 de Westinghouse, ou les six AES-2006 de Rosatom. En revanche, la construction des deux EPR de Taishan, en Chine, se déroule, a priori, comme prévu^[26].

Description

Une centrale nucléaire regroupe l'ensemble des installations permettant la production d'électricité sur un site donné. Elle comprend fréquemment plusieurs tranches, identiques ou non ; chaque tranche correspond à un groupe d'installations conçues pour fournir une puissance électrique donnée (par exemple 990 MWe, 1 300 MWe ou 1 450 MWe).

Les différents types de réacteurs

Une centrale nucléaire est équipée d'un ou plusieurs réacteurs nucléaires, ceux-ci peuvent appartenir à diverses filières :

• réacteur à eau bouillante, modéré au graphite de conception soviétique (RBMK) ;
• réacteur à uranium naturel, modéré par du graphite, refroidi par du dioxyde de carbone (filière uranium naturel graphite gaz ou UNGG) ; dont le premier réacteur à usage civil en France (EDF1). Cette filière fut abandonnée pour la filière REP pour des raisons économiques. Les centrales françaises de ce type sont actuellement toutes à l'arrêt ; par contre, certaines centrales britanniques du même type (Magnox, AGR) sont encore en service ;
• réacteur utilisant de l'uranium naturel modéré par de l'eau lourde (filière canadienne CANDU) ;
• réacteur à eau pressurisée (REP) (PWR en anglais) ; ce type de réacteur utilise de l'oxyde d'uranium enrichi comme combustible, et est modéré et refroidi par de l'eau ordinaire sous pression. Les REP constituent l'essentiel du parc actuel : 60 % dans le monde et 80 % en Europe. Une variante en est le réacteur à eau pressurisée de conception soviétique (WWER) ;
• réacteur à eau bouillante (REB) (BWR en anglais) ; ce type de réacteur est assez semblable à un réacteur à eau pressurisée, à la différence importante que l'eau primaire se vaporise dans le cœur du réacteur et alimente directement la turbine, ceci en fonctionnement normal ;
• réacteur à eau lourde pressurisée (PHWR) ;
• réacteur avancé à gaz (AGR) ;
• réacteur nucléaire à neutrons rapides et à caloporteur sodium, comme le Superphénix européen ou le BN-600 russe ;

Générations de réacteurs

Les réacteurs nucléaires ont été classés en plusieurs générations en fonction de l'âge de leur conception:

• Les réacteurs actuellement en service sont dits de génération II (voire I pour les plus anciens; e.g. Magnox au Royaume-Uni).
• Les réacteurs actuellement en construction (EPR, AP1000) sont dits de génération III ou III+ (voire II+ pour les CPR1000 chinois).
• Les réacteurs de génération IV sont à l'étude.

Réacteur nucléaire proprement dit

En France, une tranche nucléaire comprend généralement les éléments suivants.

• Le bâtiment réacteur, généralement à double enceinte étanche. Il contient le réacteur nucléaire proprement dit, le pressuriseur (qui a pour fonction de maintenir l'eau traitée du circuit primaire à l'état liquide), les générateurs de vapeur (trois ou quatre selon la génération), les pompes primaires servant à faire circuler le fluide caloporteur (eau), le circuit d'eau primaire, dont le rôle principal est d'assurer le transfert thermique entre le cœur du réacteur et les générateurs de vapeur, et une partie du circuit d'eau secondaire ;
• Le bâtiment combustible : collé au bâtiment réacteur, il sert de stockage des assemblages du combustible nucléaire avant, pendant les arrêts de tranche et pour le refroidissement du combustible déchargé (un tiers du combustible est remplacé tous les 12 à 18 mois). Le combustible est maintenu immergé dans des piscines, dont l'eau sert d'écran radiologique.

Ces deux éléments sont les seuls spécifiques à une « centrale nucléaire » proprement dite.

Installations de production d'électricité

Le reste des installations sera commun à toutes les centrales thermiques :

• Le bâtiment salle des machines, qui contient principalement :
  • une ligne d'arbre comprenant les différents étages de la turbine à vapeur et l'alternateur (groupe turbo-alternateur),
  • le condenseur, suivi de turbopompes alimentaires (fonctionnement normal, de secours) ;
• Les locaux périphériques d'exploitation (salle de commande…) ;
• Des bâtiments annexes qui contiennent notamment des installations diverses de circuits auxiliaires nécessaires au fonctionnement du réacteur nucléaire et à la maintenance, les tableaux électriques alimentant tous les auxiliaires et générateurs Diesel de secours ;
• Une station de pompage pour assurer les besoins en eau.
• Une ou plusieurs tours de refroidissement, généralement la partie la plus visible des centrales thermiques, dont la hauteur en France peut atteindre 178 m (centrale nucléaire de Civaux)^[27]. Ces aéroréfrigérants n'équipent que les centrales dont la source froide ne permet pas d'évacuer la chaleur nécessaire au fonctionnement et permettent ainsi de diminuer la pollution thermique de cette source froide. La hauteur de ces réfrigérants peut être réduite pour des raisons visuelles (par exemple, compte tenu de la proximité des châteaux de la Loire, pour les centrales de Chinon où la hauteur des tours à tirage induit ne dépasse pas 30 m et de Saint-Laurent-des-Eaux où la hauteur a été limitée à 120 m^[28]) au prix d'une diminution du rendement de la centrale.

Les autres installations de la centrale électrique comprennent :

• Un ou plusieurs postes électriques permettant la connexion au réseau électrique par l'intermédiaire d'une ou plusieurs lignes à haute tension, ainsi qu'une interconnexion limitée entre tranches ;
• Les bâtiments technique et administratif, un magasin général…

Fonctionnement technique

Une tranche thermique nucléaire a le même fonctionnement qu'une tranche thermique classique: un combustible (en l'occurrence nucléaire) produit de la chaleur ; cette chaleur permet soit directement soit au travers d'un échangeur (le « générateur de vapeur » ou GV) de transformer de l'eau en vapeur ; cette vapeur entraine une turbine qui est couplée à un alternateur qui produit l'électricité.

La différence essentielle entre une centrale nucléaire et une centrale thermique classique est matérialisée, en ce qui concerne la production de chaleur, par le remplacement de la chaudière consommant des combustibles fossiles par un réacteur nucléaire.

Pour récupérer de l'énergie mécanique à partir de chaleur, il est nécessaire de disposer d'un circuit thermodynamique : une source chaude, une circulation et une source froide. Pour simplifier :

• pour un réacteur de type REP (Réacteur à eau pressurisée), la source chaude est fournie par l'eau du circuit primaire, chauffée par la réaction nucléaire, à la température moyenne de 306 °C (286 °C en entrée et 323 °C en sortie de réacteur, cette dernière variant selon la puissance de la tranche) ;
• la source froide du circuit de refroidissement peut être fournie par pompage d'eau de mer ou de fleuve (le système est parfois complété d'une tour aéroréfrigérante).

Ainsi, une tranche nucléaire de type REP (Réacteur à eau pressurisée) comporte trois circuits d'eau importants indépendants, détaillés ci-après.

Circuit primaire fermé

Le circuit primaire se situe dans une enceinte de confinement. Il est constitué d'un réacteur intégrant des grappes de contrôle et le combustible, et, suivant le type de tranche, de 3 ou 4 GV associés respectivement à une pompe primaire centrifuge (une par GV ; masse de 90 t environ), un pressuriseur (comprenant des gaines chauffantes) assurant le maintien de la pression du circuit à 155 bar. Il véhicule, en circuit fermé, de l'eau liquide^[29] sous pression qui extrait les calories du combustible pour les transporter aux GV (rôle de fluide caloporteur). L'eau du circuit primaire a aussi comme utilité la modération des neutrons (rôle de modérateur) issus de la fission nucléaire. La thermalisation des neutrons les ralentit pour leur permettre d'interagir avec les atomes d'uranium 235 et déclencher la fission de leur noyau. Par ailleurs, l'eau procure un effet stabilisateur au réacteur : si la réaction s'emballait, la température du combustible et de l'eau augmenterait. Cela provoquerait d'une part, une absorption des neutrons par le combustible (effet combustible) et d'autre part une modération moindre de l'eau (effet modérateur). Le cumul de ces deux effets est dit « effet puissance » : l'augmentation de ce terme provoquerait l'étouffement de la réaction d'elle-même, c'est un effet auto-stabilisant.

Circuit secondaire fermé

Le circuit d'eau secondaire se décompose en deux parties :

• entre le condenseur et les GV, l'eau reste sous forme liquide : c'est l'alimentation des GV ; des turbopompes alimentaires permettent d'élever la pression de cette eau, et des échangeurs de chaleur en élèvent la température (60 bar et 220 °C) ;
• cette eau se vaporise dans 3 ou 4 GV (suivant le type de tranche, 900 ou 1 300 / 1 450 MW) et les tuyauteries de vapeur alimentent successivement les étages de la turbine disposés sur une même ligne d'arbre. La vapeur acquiert une grande vitesse lors de sa détente permettant ainsi d'entraîner les roues à aubages de la turbine.

Celle-ci est composée de plusieurs étages séparés et comportant chacun de nombreuses roues de diamètre différent. Dans un premier temps, la vapeur subit une première détente dans un corps haute pression (HP, de 55 à 11 bar), puis elle est récupérée, séchée et surchauffée pour subir une seconde détente dans les trois corps basse pression (BP, de 11 à 0,05 bar). On utilise les corps BP dans le but d'augmenter le rendement du cycle thermohydraulique.
La sortie du dernier étage de la turbine donne directement sur le condenseur, un échangeur de chaleur dont la pression est maintenue à environ 50 mbar absolu (vide) par la température de l'eau du circuit de refroidissement (selon la courbe de saturation eau/vapeur). Des pompes à vide extraient les gaz incondensables en phase gaz du mélange (principalement l'oxygène moléculaire et le diazote). L'eau condensée dans cet appareil est réutilisée pour réalimenter les GV.

Circuit de refroidissement semi-ouvert

Ce circuit assure le refroidissement du condenseur. L'eau de refroidissement est échangée directement avec la mer, un fleuve ou une rivière, par l'intermédiaire de pompes de circulation. Pour ces deux derniers cas, l'eau peut être refroidie par un courant d'air dans une tour aéroréfrigérante d'où une petite partie de l'eau, environ 0,75 m³⋅s^-1 soit 1,7 litre par kWh produit^[30]), s'évapore puis se condense sous forme du panache blanc de vapeur d'eau.

Production d’électricité / Évacuation d’énergie

L'énergie mécanique produite par la turbine sert à entraîner l'alternateur (rotor d'une masse d'environ 150 t) qui la convertit en énergie électrique, celle-ci étant véhiculée par le réseau électrique.

Lorsque l'alternateur débite de la puissance électrique sur le réseau, on dit que la tranche est « couplée » au réseau.

Une perte du réseau, par exemple à la suite d'un incident, entraine la déconnexion de l'alternateur du réseau, une réduction immédiate de l'alimentation en vapeur de la turbine par fermeture des organes d'admission turbine et une réduction de la puissance du réacteur. Celle-ci est alors évacuée par l'ouverture de vannes de contournement vers le condenseur disposées sur le barrillet vapeur. Le groupe turboalternateur (turbine + alternateur) reste en rotation prêt au recouplage immédiat sur le réseau. On dit que la tranche est « ilotée » : elle alimente elle-même ses auxiliaires.

Rendement d'une centrale nucléaire

Le rendement théorique des centrales nucléaires françaises actuelles est d'environ 33 %^[31]. Les centrales électriques alimentées au fioul ou au charbon possèdent un rendement un peu supérieur (environ 40 %) car elles fonctionnent avec une température de vapeur plus élevée (moins de contraintes de sécurité).
Avec de nouveaux générateurs de vapeur, la pression secondaire des nouveaux réacteurs EPR atteint quasiment 80 bars ce qui, d'après ses promoteurs, représente la valeur conduisant au maximum de rendement pour un cycle à eau vapeur saturée soit sensiblement 36 % (cf EPR "Différences en termes de performances").

Contrairement à certains autres pays, en France les réacteurs nucléaires électrogènes ne sont pas utilisés pour faire de la cogénération^[32],[33].

Impacts environnementaux

Déchets

À la sortie de la centrale, le combustible usé étant, en majorité soit à près de 95%^[34], constitué d'uranium appauvri ainsi que de plutonium (1%), peut servir après retraitement à retourner en centrale sous forme d'uranium de retraitement enrichi ou de MOX, selon le cycle du combustible du pays concerné.
Donc les déchets radioactifs, qui proviennent de différentes étapes du cycle du combustible nucléaire ne font qu'une fraction du volume des combustibles usés, soit moins de 5% après retraitement. Environ 10 % de ces déchets sont des éléments de forte activité radiologique ou de longue période radioactive^[35]. La gestion de ces déchets est un processus complexe, en général confiée à une organisation spécifique.

Rejets d'effluents radioactifs et chimiques

En fonctionnement normal, une centrale nucléaire émet en continu des rejets contrôlés radioactifs et chimiques d’effluents liquides^[36] et gazeux^[37], il s’agit de rejets effectués dans le cadre des autorisations réglementaires de rejet^[38].
Lors d'incident ou d'accident une centrale peut être amenée à effectuer des rejets dépassant ceux autorisés en fonctionnement normal.
En France, l'ASN est chargée de vérifier le respect des autorisations réglementaires de rejet par les centrales nucléaires, et est également chargée d'informer le public des rejets dans l'environnement et des risques induits pour la santé des personnes et pour l'environnement^[39].

Émissions de gaz à effet de serre

Émissions de CO₂par kWh électrique^[40](ACV)

Énergie primaire	gCO2/kWh	Commentaire
charbon	800 à 1050	suivant technologie
cycle combiné à gaz	430
photovoltaïque	60 à 150	hors stockage ou appoint
hydraulique	4 à 39[41]
éolien	3 à 22	hors stockage ou appoint
nucléaire	5 à 17[42]	en gCO2équivalent/kWh
biomasse bois	faible[43]	1500 sans replantation

Les centrales nucléaires émettent beaucoup moins de CO₂ que les centrales à énergie fossile, même en comptabilisant les émissions dans les mines d’uranium. Ces émissions dépendant fortement de l'énergie utilisée lors des processus de purification de combustible^[42], elles se situent dans une fourchette de 5 à 17 gCO₂/kWh avec une valeur moyenne de 10 gCO₂/kWh^[44].

Selon CDC climat, l'arrêt des centrales nucléaires allemandes décidé au lendemain de l'accident nucléaire de Fukushima, aurait dû entraîner une augmentation de près de 13 % des émissions de CO₂ en Allemagne dans l'immédiat^[45].

Cependant, l'Allemagne n'a pas eu recours au charbon pour compenser l'arrêt de 8 de ses 17 réacteurs en 2011, année plutôt douce^[46]. Exportatrice d'électricité en 2009, à hauteur de 21 % de la capacité polonaise, 27 % de la néerlandaise, 40 % de la belge ou de la tchèque, elle est devenue importatrice de courant, à destination de ses régions méridionales à partir des pays limitrophes. L'effacement en Allemagne de près de 7 GW de puissance installée a donc un impact important sur l'immédiat et sur l'avenir de la politique énergétique européenne^[47].

Certains partisans des énergies renouvelables pensent qu'elles émettent globalement de moins grandes quantités de gaz a effet de serre que les centrales nucléaires, en particulier l'éolien et l'hydraulique mais cela dépend beaucoup du site d'implantation et les avis divergent fortement^[48]. La production est peu émettrice mais la fabrication, l'installation et la connexion au réseau provoquent des émissions de gaz à effets de serre qui dépendent fortement de l'électricité d'appoint. Afin de pallier sa variabilité, l'éolien européen est souvent adossé à des centrales à gaz^[40]. Pour la biomasse, une bonne gestion des forêts exploitées peut aboutir à un stockage du CO₂, en raison de l'augmentation de la matière organique, production de bois énergie à partir de rémanent forestier de la production de bois d'œuvre.

En revanche, les centrales nucléaires, comme toutes les centrales thermiques, rejettent une quantité importante de vapeur d'eau et ce du fait de leur mode de refroidissement à eau à travers des tours de refroidissement à effet Venturi. La vapeur d'eau est un des principaux gaz à effet de serre et contribue donc largement au réchauffement climatique^[49]. Cependant, seule une partie très infime de la vapeur d’eau atmosphérique est due aux activités humaines, et la vapeur d’eau reste très peu de temps dans l’atmosphère, à peine quelques jours, tandis qu’un gaz comme le dioxyde de carbone y demeure un siècle environ ; les émissions de vapeur d’eau jouent donc un rôle direct très négligeable dans l’augmentation de l’effet de serre^[50].

Rejets thermiques

Comme toute centrale thermique, seulement 30 à 40 % environ de l'énergie produite est transformée en électricité^[51],[52], le surplus d'énergie produit est dissipé sous forme de chaleur, conduisant à un réchauffement de l'air et de l'eau (source froide nécessaire au fonctionnement de toute centrale thermique). Le panache blanc (vapeur d'eau) issu des tours de refroidissement est l'aspect le plus visible de cette pollution. Dans le cas d'une centrale nucléaire, où la source chaude ne peut pas atteindre les températures des centrales thermiques classiques, le rendement de Carnot est plus faible du fait de cette température maximale plus faible de la source chaude.

Ce réchauffement ou « rejet thermique » constitue une pollution thermique permanente inhérente au fonctionnement des centrales thermiques (nucléaire, fioul, charbon, gaz, certaines huiles minérales, déchets industriels ou agricoles, déchets ménagers). Une centrale nucléaire est donc source de pollution thermique par ses rejets de la même manière que toute centrale thermique classique. Par exemple, les 45 GWe d'énergie nucléaire française produisent globalement une pollution thermique équivalente à l'énergie déposée par le Soleil sur 0,05 % de la superficie de la France^[52]. En France, il existe réglementairement des limites à ne pas dépasser pour éviter un réchauffement local trop important de la source froide (fleuve, rivière, mer) car l'eau prélevée est restituée à une température légèrement supérieure à sa température de prélèvement. En conséquence, la production doit être diminuée ou suspendue si l'eau restituée est trop chaude par rapport au débit du fleuve (effet de dilution), ou en absence de dérogations à la réglementation (délivrées par l'ASN pour les centrales nucléaires, par exemple lors de la sécheresse de 2003^{[53],[54],[55]}).

Prélèvements d'eau

De la même manière que pour les centrales thermiques classiques, lors de la production d'électricité, les prélèvements d'eau pour le refroidissement sont très variables selon que le système de refroidissement est en circuit ouvert ou en circuit fermé:

• en circuit ouvert: l’eau du circuit de refroidissement, qui est directement prélevée dans la mer ou dans un fleuve à grand débit, se réchauffe en traversant le condenseur, composé d'un millier de tubes au contact duquel la vapeur du circuit secondaire se condense, puis retourne dans la rivière ou la mer (par un chenal ou des conduites) ; dans ce cas de figure, les prélèvements sont d'environ 50 m³/s pour les réacteurs nucléaires de 900 à 1 300 MWe, et l'eau est intégralement restituée à la source.
• en circuit fermé: l’eau du circuit de refroidissement, prélevée d'un fleuve à débit plus faible ou d'une rivière et qui s’est réchauffée dans le condenseur, est refroidie par un courant d’air dans une tour de refroidissement, appelée tour aéroréfrigérante ; une partie de l’eau s’évapore dans l’atmosphère (panache de vapeur d’eau) ; l’autre partie retourne au condenseur, un appoint d’eau est réalisé pour compenser l’eau évaporée, soit environ 2 m³/s pour une tranche nucléaire de 1 300 MWe^[30].
• D'un point de vue environnemental, l'eau prélevée est restituée à une température légèrement supérieure (voire égale en cas d'utilisation de réfrigérants de purge), et avec des additifs de traitement contre le tartre pour éviter que les eaux de refroidissement mènent à l'encrassement du condenseur^[30].
• Les centrales thermiques (classiques ou nucléaires) installées au bord des fleuves de faible débit ou des rivières, sont en circuit fermé en raison des variations de débit des cours d'eau, en période de sécheresse notamment. Les centrales situées en bord de mer ou sur un fleuve de fort débit, sont moins sensibles à ces contraintes puisque leur source de refroidissement est plus importante ou moins soumise aux variations de température^[56].

Par contre une des particularités fondamentales des centrales nucléaires par rapport aux centrales thermiques classiques est la nécessité de devoir maintenir le refroidissement après l'arrêt car une quantité considérable de chaleur, la puissance résiduelle, continue d'être dégagée par le combustible nucléaire usé^{[30],[57],[56]}. Du point de vue de la sûreté nucléaire, le refroidissement est donc crucial même après l'arrêt du réacteur, pour éviter la fusion du combustible nucléaire.

• Dans le cas d'un refroidissement en circuit ouvert, la centrale nucléaire nécessite de 70 à 100 fois moins d'eau à l'arrêt qu'en fonctionnement normal. Dans le cas d'un refroidissement en circuit fermé, le besoin en eau à l'arrêt est divisé par 3 à 4 par rapport au fonctionnement normal^[56].

Risques et dangers

Risques d'accident

L'« accident majeur » redouté en cas de perte du confinement, et donc de dispersion de matériaux radioactifs dans l’environnement, est la fusion du cœur d'un réacteur nucléaire.

Pour les centrales nucléaires françaises de première génération, l'objectif était d'avoir une probabilité de fusion du cœur inférieure à 5 sur 100 000 par réacteur et par an^[58]. Cette sûreté a été améliorée dans la deuxième génération. La probabilité d’accident de fusion du cœur a été estimée à 1 x 10^-5 par année réacteur d’après une évaluation française d’un accident majeur de fusion du cœur dans un REP de 1 300 MWe^[59]. Les chiffres pour les centrales allemandes sont comparables. Ce niveau de sûreté était un peu supérieur à celui constaté dans le reste du monde : début 2009, l'industrie nucléaire avait accumulé une expérience totale de 13 000 années x réacteur de fonctionnement^[60].

Plusieurs accidents avec fusion partielle ou totale du cœur se sont produits dans le monde (voir Liste des accidents nucléaires) :

• en 1957, incendie de Windscale (Royaume-Uni)
• en 1969, fusion du cœur à la centrale nucléaire de Lucens (Suisse)
• en 1969, fusion partielle du réacteur A1 de la centrale nucléaire de Saint-Laurent (France)
• en 1979, accident nucléaire de Three Mile Island (États-Unis)
• en 1980, fusion partielle du réacteur A2 de la centrale nucléaire de Saint-Laurent (France)
• en 1986, catastrophe de Tchernobyl (Ukraine)
• en 2011, accident nucléaire de Fukushima (Japon)

Les accidents de Fukushima et Tchernobyl ont été classés au niveau 7 « accident majeur » qui est le niveau maximal de l'échelle de classification INES.

Les études de sûreté nucléaire sont contrôlées en France par l'autorité de sûreté nucléaire (ASN) assistée d'un organisme technique, l'IRSN. Les centrales de deuxième génération ont en France un objectif de sûreté cinquante fois plus élevé, de l'ordre d'un accident par million d'années de fonctionnement ; et les EPR doivent démontrer un niveau garanti de sûreté encore dix fois plus élevé, d'un accident majeur pour dix millions d'années de fonctionnement^[61]. Pour ce niveau de sûreté, avec un parc mondial vingt fois plus important qu'actuellement (de l'ordre de 500 réacteurs), le niveau de risque serait inférieur à un accident par millénaire. De plus, selon les concepteurs des centrales modernes, un accident de fusion du cœur (s'il survient) reste confiné dans la centrale elle-même et ne conduit pas à une contamination de la population^[62].

La conception des centrales nucléaires de quatrième génération fait l'objet d'une coordination internationale, qui inclut des études de sûreté, et elle vise à s'appuyer sur des conceptions intrinsèquement sûres^[63].

Sur son site, l'Autorité de sûreté nucléaire (ASN) donne les informations relatives aux incidents se produisant dans les centrales nucléaires françaises^[64],[65].

Risques sanitaires liés à l'énergie nucléaire

En décembre 2007, les résultats de l'étude du Registre national allemand des cancers de l'enfant ont été rendus publics par sa directrice Maria Blettner : l'étude indique que l'on observe en Allemagne une relation entre la proximité d'une habitation par rapport à la centrale nucléaire la plus proche et le risque pour les enfants d'être atteints, avant l'âge de 5 ans, d'un cancer ou d'une leucémie. Pour autant, le rayonnement ionisant n'a pas été formellement identifié comme une cause, l'exposition à de faibles doses d'irradiation n'ayant été ni mesurée ni modélisée^[66].

En France, le projet Geocap de l'équipe Inserm U1018-Eq. 6 constatait sur la période 2002-2007, un excès significatif d'incidence des leucémies - un quasi-doublement à 14 cas - aiguës chez les enfants demeurant à moins de 5 km^[67],[68], un résultat qui n'est cependant pas été retrouvé sur les intervalles de temps 1990-2001 et 1990-2007. L’hypothèse d’un mécanisme impliquant les radiations transmises par le panache de fumée des centrales a été écarté, d’autres hypothèses restent à tester^[69],[70]. Une étude basée sur une géolocalisation plus précise des cas, publiée dans le British journal of cancer en 2013 a conclu que cet "effet leucémie" était plutôt dû à la proximité des lignes à haute tension (cet effet n'est statistiquement net et observable que chez des enfants vivant à moins de 50 m de l'une de ces lignes)^[71]. Une association a aussi été trouvée avec une exposition à la pollution routière - pour certaines formes de leucémies uniquement, et quand les enfants habitent près d'une route fréquentée^[72].

Ainsi, selon un certain nombre d'études, les risques réels pour la santé de l'énergie nucléaire n'ont pas de rapport avec les préjugés pour cette technologie. Une étude parue dans la revue médicale The Lancet, basée sur les résumés des données de communauté médicale mondiale par l'UNSCEAR et l'OMS suggère que l'énergie nucléaire a provoqué moins de décès et de blessés que chacune des autres énergies majeures, qu'elles soient fossiles comme le charbon, pétrole ou gaz, ou dite "renouvelable" comme l'hydroélectricité ^[73], logique confirmée par des calculs étendus aux autres renouvelables sur Forbes^[74]. Ainsi selon une autre étude du NASA Goddard Institute par le climatologue et lanceur d'alerte James E. Hansen, l'utilisation de cette énergie a permis d'éviter 1,84 millions de décès prématurés sans compter les risques liées à l'émission de 64 milliards de tonnes d'équivalent-CO₂, comme un changement climatique brutal ^[75]

Risques climatiques

Comme toutes les centrales thermiques, les centrales nucléaires ont besoin d'eau pour leur refroidissement.

L’expérience de la canicule européenne de 2003 a révélé la dépendance des centrales nucléaires à la disponibilité en eau en quantité suffisante pour le refroidissement (voir ci-dessus section rejets thermiques).

En France, le plan national d'adaptation au changement climatique émet des recommandations dans ce domaine^[76].

Débat politique sur l'énergie nucléaire

L'utilisation du nucléaire pour la production d'électricité est la technologie qui anime les conflits d'opinion les plus intenses^[77], tant de par les risques et déchets qu'elle engendre que par certains sous-produits comme le plutonium, utilisés pour la fabrication d'armes nucléaires^[78].

Démantèlement

Après l'arrêt définitif de l'exploitation, une centrale nucléaire est en principe entièrement démantelée, y compris les réacteurs nucléaires. Selon Nicholas Lenssen, en 1999, 94 réacteurs nucléaires ont été arrêtés définitivement, tandis que 429 continuaient de fonctionner dans le monde.^{[réf. nécessaire]}

Coûts et économie

En 2007, en Lituanie, les coûts de construction d'un site d'une capacité de 800 à 1 600 MW ont été estimés entre 2,4 et 4 milliards d'euros^[79].

Projets de recherche

L'entreprise russe Sevmash a annoncé avoir entamé le 14 juin 2006 la construction de la 1^re centrale nucléaire flottante au monde en utilisant les technologies développées pour les sous-marins nucléaires militaires. Selon son fabricant, ce réacteur flottant pourrait fournir de l'électricité à de grandes villes isolées du Grand Nord, à un coût moindre que par les énergies fossiles.

Au Japon, le surgénérateur Monju avec 246 MWe est toujours à l'état de projet de recherche en attendant sa mise à niveau Post-Fukushima^[80].

En France, le surgénérateur Phénix fonctionnait en 2006 pour une puissance de 233 MWe (source AIEA, 2006). Compte tenu d'une forte opposition politique, la filière surgénération a subi un moratoire (le réacteur Superphénix français a été fermé prématurément). Cependant, compte tenu de l'utilisation d'une plus grande proportion d'uranium naturel par ce type de réacteur et pour économiser cette ressource, cette filière est celle qui sera le plus probablement mise en œuvre en premier en France comme réacteur de quatrième génération (projet ASTRID)^[81] .

La prochaine génération de centrales nucléaires pourrait être refroidie au gaz, plus précisément à l'hélium. Ce type de réacteurs a été proposé dans les années 1960, mais très peu ont été construits. Cela pourrait changer. Bien que des questions comme le stockage du combustible puissent poser problème, les réacteurs à gaz - qui ne sont pas sujets au risque de fusion^{[réf. nécessaire]} - pourraient devenir une solution d'avenir après la catastrophe nucléaire japonaise. Utiliser l'hélium pour le refroidissement présente au moins deux avantages. D'une part, étant inerte, ce gaz ne peut pas devenir radioactif, à la différence de l'eau des centrales à refroidissement hydraulique. D'autre part, les réacteurs à gaz chauffant plus que ceux à eau, ils sont plus efficaces pour la production d'électricité^{[réf. nécessaire]}. Cette énergie, obtenue sans émission de carbone, a déjà suscité l'intérêt d'entreprises spécialisées dans les produits chimiques, les engrais ou le pétrole^{[réf. nécessaire]}. Bien qu'au stade du développement, « cette technologie pourrait radicalement changer la donne », déclare Fred Moore, de Dow Chemical^{[réf. nécessaire]}. Au cœur de la sécurité d'un tel réacteur, il y a une conception ingénieuse de son combustible^{[réf. nécessaire]}. Au lieu des barres d'uranium utilisées par les réacteurs à eau, ceux à gaz seraient alimentés par de petites particules d'uranium dispersées dans des « galets » de graphite. Le graphite est un excellent modérateur : il ralentit les neutrons et maintient leur réaction dans la bonne fourchette de températures. Dans un réacteur à lit de galets refroidi au gaz, chaque galet est une sphère de graphite de la taille d'une balle de tennis. Neuf grammes d'uranium sont éparpillés parmi les quelque 15 000 minuscules particules de graphite^{[réf. nécessaire]}. Au cours d'un récent test sur trois ans, à l'Idaho National Laboratory, 300 000 particules de combustible ont été chauffées à 1 260 °C et bombardées de neutrons. Pas une seule n'a présenté de fuite de matière radioactive - une preuve solide de la sécurité de cette solution^{[réf. nécessaire]}. Un réacteur à lit de galets peut contenir jusqu'à 400 000 galets environ. La chaleur des sphères de combustible est collectée par l'hélium et peut ensuite être utilisée pour générer de l'électricité - ou pour alimenter des processus industriels comme le raffinage du pétrole ou la désalinisation.

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes

• Principes : Production d'électricité, Énergie nucléaire, Cycle du combustible nucléaire, Radioactivité, Empoisonnement au xénon.

• Équipements : Liste des réacteurs nucléaires en France, Réacteur nucléaire, Liste des réacteurs nucléaires, Réacteur pressurisé européen (EPR), Réacteur de grande puissance à tubes de force (RBMK), construit à Tchernobyl, Centrale nucléaire en France.

• Risques : Accident nucléaire, Liste d'accidents nucléaires, Catastrophe de Tchernobyl, Syndrome chinois.

• Débats : Débat sur l'énergie nucléaire, Sortie du nucléaire civil, Prolifération nucléaire.

• Recherche : Réacteur nucléaire à sels fondus, Cycle du combustible nucléaire au thorium.

Bibliographie

• Science et Vie hors-série, Enquête, ce que va devenir le parc actuel. Dossier 2003-2100, le siècle du nucléaire, décembre 2003
• [PDF] D. Hubert, Risque de cancer à proximité d'installations nucléaires : études épidémiologiques, Radioprotection, Vol. 37, n^o 4, p. 457
• [PDF] G. Niquet, C. Mouchet et C. Saut, Les centres nucléaires et le public : communication, information, Radioprotection, Vol. 39, n^o 4, p. 475
• Jaime Semprun, La Nucléarisation du monde, Éd. Gérard Lebovici, 1986 (ISBN 2-85184-172-6)
• Arnaud Michon, Le Sens du vent : Notes sur la nucléarisation de la France au temps des illusions renouvelables, éditions de l'Encyclopédie des Nuisances, 2010 (ISBN 2910386368)
• Claude Dubout, Je suis décontamineur dans le nucléaire, éditions Paulo-Ramand.
• Florence D, Hartmann P (2002). Les rejets radioactifs des centrales nucléaires et leur impact radiologique. Journées SFRP «L'évaluation et la surveillance des rejets radioactifs des installations nucléaires», 13-14 novembre 2002, Strasbourg (France).
• Fournier-Bidoz V, Garnier-Laplace J (1994). Étude bibliographique sur les échanges entre l’eau, les matières en suspension et les sédiments des principaux radionucléides rejetés par les centrales nucléaires. Rapport IPSN, SERE 94/073, Cadarache
• Adam C (1997). Cinétiques de transfert le long d’une chaîne trophique d’eau douce des principaux radionucléides rejetés par les centrales nucléaires en fonctionnement normal (137Cs, 60Co, 110mAg, 54Mn). Application au site de Civaux sur la Vienne. Thèse doct. Univ. Aix Marseille I.

Liens externes

• (en) Les réacteurs nucléaires en construction dans le monde, sur le site de l'Agence internationale de l'énergie atomique
• Géopolitique du Nucléaire, sur le site 2000watts.org
• EDF Panorama de l'électricité, sur le site edf.com
• CEA Les différents types de réacteurs, sur le site cea.fr

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