Par Déborah et Hugo
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Le Nucléaire : une énergie d'avenir ?
"L'énergie nucléaire constitue l'énergie du noyau d'un atome[...]"
Le Nucléaire : entre production et développement
Au sein du noyau de chaque atome coéxistent deux types de particules : Les neutrons et les protons.
Les procédés de fusion et de fission nucléaire permettent de produire de la chaleur et, au moyen d'alternateur, transformer l'énergie mécanique (produite par l'évaporation de l'eau de la cuve d'une centrale nucléaire permise grâce à la chaleur dégagée des noyaux d'atome) en énergie éléctrique.
La fusion nucléaire est la réaction nucléaire durant laquelle deux noyaux d'atomes d'hydrogène se rassemblent afin de former un noyau plus lourd: l'hélium. Par la suite, le noyau d'atome de l'hélium réagit avec le noyau d'un atome d'hydrogène pour former un noyau à nouveau plus lourd: le lithium. C'est ainsi que l'on organise les éléments chimiques selon la classification périodique. Cette réaction de fusion nucléaire nécessite une énorme chaleur (énergie) afin de rendre les noyaux instables. Cette réaction à lieu naturellement dans les étoiles due à la forte chaleur dégagée par la combustion des gaz de celles-ci. Elle est la cause de l'émission de rayonnements éléctromagnétiques tels que les rayons gamma, par exemple.
La fission nucléaire quant à elle résulte de la division du noyau d'un atome après captation d'un neutron. Deux fragments, ayant une masse chacune plus légère que l'atome initial répartie de manière complémentaire, sont formés avec libération de neutrons.
Cette diminution de masse se transforme en énergie selon la célèbre équation du physicien et chimiste Albert Einstein :
E=Δm.c² ; avec "E" l'énergie obtenue, "Δm" la diminution de masse et "c" la célérité qui est de l'ordre de 3 .10^8 m.s^(-2).
Certains éléments physiques peuvent compter le même nombre de protons dans leur noyau mais pas le même nombre de neutrons. On les appelle « isotopes ». Leurs propriétés chimiques sont presque identiques. Toutefois, selon le nombre de neutrons, l’isotope sera plus ou moins instable. Plus il est composé de neutrons moins le noyau de l’istope est stable. C’est le phénomène de rayonnement mis en évidence par Becquerel et renommé « radioactivité » par Marie Curie.
" De la découverte de la fission aux centrales nucléaires [...] "
La radioactivité est un phénomène physique par lequel les noyaux atomiques instables dégagent de l’énergie sous forme de rayonnements divers.
La radioactivité entrainera la modification de la composition du noyau et la formation d’un autre élément. La découverte de la radioactivité artificielle, au début des années 1930, est d’une importance majeure. On découvre alors que la fisson peut être provoquée par l’intervention humaine : il suffit de « bombarder » le noyau avec d’autres particules pour libérer l’énergie qu’il contient.
Ferni , un physicien européen évoque la possibilité que des neutrons soient émis lors de la fission. La possibilité d’une réaction en chaîne est bien sur comprise dans le plan théorique. Elle se produit lorsqu’un neutron cause la fission d’un noyau, qui libère des neutrons, qui à leur tour causent d’autres fissions de noyaux, qui à leur tour libèrent des neutrons, etc…
Le phénomène de fission nucléaire est décrite pour la première fois le 17 septembre 1938 par des chimistes allemands. L’humanité sait maintenant transformer un élement stable en élément radioactif. Toutefois, ce processus peut être contrôlé ou non.
Pendant le Seconde Guerre Mondiale, le nucléaire connaît des avancées scientifiques fulgurantes. La violence des réactions nucléaires non controlées (bombes atomiques) laissent aux populations une crainte de cette nouvelle forme d’énergie, qui mal contrôlée est très dangereuse.
L’utilisation de l’énergie nucléaire à des fins civiles apparaît après la Guerre. L’idée est de produire de l’électricité à partir de l’énergie nucléaire. Le moyen le plus adapté pour l'époque est la construction de centrales nucléaires. Cela correspond à un site industriel qui utilise la fission atomique pour produire de l'électricité. Son fonctionnement s'apparente à celui d'une chaudière. La chaleur dégagée par la fission permet de transformer de l'eau en vapeur qui sous pression entraîne mécaniquement une turbine, laquelle entraîne à son tour un alternateur. L'ensemble permet de produire de l'électricité.
En décembre 1951, une première centrale nucléaire expérimentale fonctionne aux Etats-Unis: le réacteur EBR-I (Experimental Breeder Reactor I) génère seulement assez d’électricité pour alimenter quatre ampoules de 200 watts. En 1954, la première centrale nucléaire civile est connectée au réseau électrique de la ville d’Obninsk en URSS. Les premières centrales nucléaires sont mises en service au Royaume-Unis (Sellafield, 1956), aux Etats-Unis (Shippingport, 1957) et en France (Chinon, 1966). A partir des années 60, la puissance nucléaire mondiale augmente très rapidement. En effet à partir de cette période, la puissance qui était d'environ 1 gigawatt, passe à 100 gigawatts fin 1970 puis, à 300 gigawatts à la fin des années 1980. Aujourd'hui 439 réacteurs fonctionnent à travers 31 pays dans le monde pour une puissance de 370 gigawatts et produisant 14% de l'électricité mondiale.
"L'enrichissement[...] est caractérisé par des procédés précis[...]"
" Pour de nombreuses activités nucléaires, l'uranium naturel doit être enrichi. Aujourd'hui, le procédé d'enrichissement le plus fréquent utilise des centrifugeuses. "
L'extraction du minerai d'uranium se fait selon les mêmes procédés que ceux concernant d'autre minerais, comme le cuivre par exemple. L'uranium est produit à plus de 70% à l'aide de techniques d'extraction souterraine ou à ciel ouvert. Le reste est obtenu par liquidation in situ. Suite à cette extraction, le minerai d'uranium récupéré subit une concentration. Cette étape consiste à broyer le minerai jusqu'à obtenir une texture (granulométrie) souhaitée et à recevoir un traitement chimique pour en extraire l'uranium et le raffiner.
Pour de nombreuses activités nucléaires, l'uranium naturel doit être enrichi. Aujourd'hui, le procédé d'enrichissement le plus fréquent utilise des centrifugeuses.
En matière de nucléaire, l'isotope "utile" de l'uranium est l'U235. Or, l'uranium naturel n'en contient environ que 0,7%; le reste étant, à plus de 99% de l'U238.
L'enrichissement consiste donc à augmenter le pourcentage d'U-235 contenu dans la matière. Ce proccessus que l'on peut assimiler à un raffinage, est rendu possible par la différence de masse entre les deux isotopes. S'il s'agit de produire du combustible pour les centrales nucléaires, il est arrêté lorsqu'on a obtenu 3 à 5% d'U-235. On parle alors d'uranium faiblement enrichi (UFE).
Pour permettre l'enrichissement, divers procédés peuvent être employés. La diffusion gazeuse, le plus répandu depuis 1945, est encore très utilisée aujourd'hui. L'UF6 (hexafluore d'uranium) à l'état gazeux passe à travers des membranes percées de trous minuscules, ce qui permet de séparer l'U-235 de l'U-238. Toutefois, la centrifugation est de plus en plus souvent utilisée et, dans un futur proche serait suscpetible de devenir le proccessus standard d'enrichissement. Selon ce procédé, l'UF6 est introduit sous forme de gaz dans des centrifugeuses, machines cylindriques installées en cascades, tournant à très haute vitesse. Sous l'effet de la force centrifuge, elles séparent selon leur poids, les deux isotopes de l'uranium. Les gaz enrichi en isotope léger d'U-235 migrent vers le haut du tube, et au contraire, les istopes lourds d'U-238 descendent.
Les centrifugeuses sont des engins assez simples mais leur fabrication recquiert un usinage de haute précision et l'emploi de matériaux très résistants. Leur fonctionnement exige une grande stabilité physique (sol) et électrique (alimentation). Aucune poussière, ni trace de doigt ne doit être présente sur leurs surfaces les plus sensibles pour ne pas déséquilibrer leur rotation.
D'autres méthodes d'enrichissements sont possibles. Par exemple, la diffusion thermique et la séparation éléctromagnétique. Elles sont par contre, totalement obsolète. En revanche, l'enrichissement par laser est une théorie envisageable et actuellement en cours d'expérimentation.
" Il existe de nombreux types de réacteurs dans le monde [...] "
" Les réacteurs nucléaires sont des machines conçues pour déclencher et contrôler les réactions en chaînes de la fission [...] "
La technologie de base utilisée pour exploiter l'énergie de fission évoquée précédemment est le réacteur nucléaire. Il existe de nombreux types de réacteurs dans le monde mais ils ont tous certains composants communs: le combustible, le modérateur, le réfrigérant et les barres de commandes.
Les réacteurs nucléaires sont des machines conçues pour déclencher et contrôler les réactions en chaînes de la fission qui produiront de la chaleur et de l'électricité. Expliqué précédemment, ce principe physique est plus ou moins dangereu, chaque composant du réacteur est donc important.
Il faut, tout d'abord, savoir que les centrales nucléaires n'utilisent pas n'importe quel atome pour provoquer la fission attendue. Le combustible d'une centrale nucléaire doit contenir des atomes facilement fissibles comme l'uranium 233, l'uranium 235, le plutonium 239 et le plutonium 241. Seul le second, l'uranium 235, se trouve à l'état naturel. Par conséquent, il est le combustible le plus utilisé dans les centrales nucléaires.
Toutefois, extrait des mines, l'uranium naturel contient principalement de l'uranium 238. Il ne constitue donc pas directement le combustible nécessaire à la production d'électricité. Il doit alors être enrichi en augmentant la proportion d'uranium 235. Divers procédés, comme la centrifugation et la diffusion des gaz, permettent de jouer sur la différence de masse atomique et d'évacuer une partie des atomes d'uranium 238. L'isotope obtenu est conditionné avant d'être installé au coeur du réacteur.
Par aileurs, il s'agit également de maintenir un rythme de fission constant au sein du combustible: sur les deux ou trois neutrons libérés lors de la fission d'un atome, seul l'un d'entre eux pourra en provoquer une nouvelle. En effet, il faut prendre en compte la présence des absorbants neutroniques (neutrophages) qui sont utilisés et capturent une partie des neutons émis. Cette technique utilisée dans la centrale permet de maintenir une fission stable et non exponentielle. Ainsi, des "barres de contrôle" composées de neutrophages comme le bore, l'argent, l'indium, le cadium et l'hafnium sont installées dans le réacteur. Elles permettent de diminuer le nombre de neutrons, et par conséquent, arrêter la réaction en chaîne en cas de besoin, ou alors, en fonctionnement normal, de réguler le niveau et la puissance de production du réacteur.
Pour ralentir les neutrons rapides émis lors de la fission, ou autrement dit, pour abaisser leur énergie thermique et augmenter ainsi leur capacité à engendrer d'autres fissions, un modérateur est mis en place dans le réacteur. Ce composant doit avoir une masse suffisament faible pour pouvoir ralentir les neutrons sans les capturer. L'eau ordinaire sert dans la plupart des cas de modérateur; mais, on peut aussi rencontrer du graphite et de l'eau lourde, tout autant efficaces. Le réfrigérant, quant à lui, permet d'extraire la chaleur produite dans le réacteur par la fission nucléaire et pour maintenir la température du combustible dans des limites acceptables. Cette chaleur est utilisée pour produire la vapeur qui sert à entraîner le groupe turboalternateur. Si le réfrigérant est de l'eau, la vapeur peut alimenter directement la turbine. L'eau lourde, des gaz comme le dioxyde de carbone ou l'helium, et des métaux fondus tels que le sodium, le plomb ou le bismuth peuvent aussi servir de réfrigérant.
Le réfrigérant peut également être utilisé comme modérateur. Dans la plupart des réacteurs modernes, c'est le cas par l'usage de l'eau.
" L'énergie nucléaire produit assez peu de déchets [...] "
"On compte environ 250 000 tonnes de déchets produits par l'insustrie nucléaire depuis 1945. [...]"
L'énergie nucléaire produit assez peu de déchets par unité d'énergie produite en raison de sa forte densité énergétique. A l'heure actuelle, on compte environ 250 000 tonnes de déchets produits par l'insustrie nucléaire depuis 1945. Les "déchets nucléaires" sont des substances produites à chaque étape de la filière nucléaire et peuvent ainsi être de nature très variée. Ces déchets sont classés selon deux critères très importants:
- l'intensité de leur rayonnement radioactif qui définit leur "faible" ou "haute" radioactivité
- leur période radioactive, ou, autrement dit, la durée de leur nuisance potentielle. Ces déchets sont alors à "vie courte" ou "vie longue".
La majorité des déchets nucléaires issus des industries sont à faible et moyenne activité et de vie courte ("DMA"). Ils représentent 90% des déchets nucléaires issus des centrales françaises. Ce sont la plupart du temps des objets à caractère industriel, comme les résines échangeuses d'ions servant à purifier les liquides radioactifs, les équipements utilisés dans la mise en oeuvre des matières nucléaires,... Ils n'émettent en général que peu de chaleur mais leur rayonnement nécessite tout de même des protections tels que des écrans. Ces déchets sont stockés dans de nombreux sites implantés dans différents pays: ce sont des zones de stockage. Ces installations sont peu profondes et isolées par du béton ou de l'acier dans la majorité des cas. Même si leur radioactivité n'est pas maximale, des préventions sont mises en place. En effet, pour éviter la migration de la radioactivité, des revêtements quasi imperméables empêchent le plus possibles les entrées d'eau dans ces colis de déchets. De plus, des contrôles sont prévus sur une période de 300 ans après la fermeture du site. Cette durée correspond à celle théorique de la quasi inactivité des déchets enssouvelis, qui subiront une décroissance radioactive et thermique.
Les déchets de haute activité, dits "DHA" sont hautement radioactifs et de de vie longue. Ces déchets de fission sont refroidis dans des piscines pendant au minimum 3 ans. Leur gestion diffère de ceux qui sont moins dangereux car des précautions supplémentaires doivent êtres mises en place afin de limiter les risques pour l'environnement et la population. A l'heure actuelle, aucun site de stockage définitif n'a été ouvert afin de gérer ces déchets. Toutefois, certains pays comme l'Allemagne, la France, la Finlande ou la Belgique élaborent des techniques de stockage final pour ces produits radioactifs (barrières géologiques, barrières ouvragée). Ainsi la méthode de gestion des DHA est aujourd'hui un stokage "provisoire". Il est conçu pour prévoir une récupération future des déchets. Afin de garantir la sécurité et la sûreté de ces installations également en surface, des contrôles institutionnels, des maintenances et des surveillances y sont oragnisées. Il y a aussi des stockages profonds. Le premier site de ce genre a été installé aux Etats-Unis en 1999 au Nouveau-Mexique où sa profondeur est de 650m.
Toutefois, les déchets hautement radioactifs ou non ne sont pas enterrés dans un site proche des centrales nucléaires où ils sont produits. Pour pouvoir être déplacés dans des sites prévus à cet effet, il faut donc un moyen de transport qui garantisse la sûreté. L'emballage de la matière radioactive, quel que soit le moyen de transport, est le principe de base de la sûreté mise en oeuvre actuellement. Les accidents de transport ne pouvant être exclus, cette technique vise à prévenir toute conséquence radiologique, surtout en cas d'accident grave.
Dans tous les pays utilisant l'énergie nucléaire, la gestion et le stockage final des déchets radioactifs sont sous la responsabilité nationale. Même si leurs méthodes sont plus ou moins différentes, la coopération internationale a permis de définir des prinicpes fondamentaux et des obligations que tous les pays ont admis. Ces accords permettent par exemple de maintenir un niveau de protection de la santé humaine et de l'environnement s'appliquant au-delà de leurs frontières nationales. De plus, l'impact de l'utilisation de l'énergie nucléaire ne devra en aucun cas nuire aux générations futures, ou en tout cas être plus important que celui que subissent les populations actuelles. Et, l'une des plus importantes: la sûreté des installations de gestion des déchets doit être impérativement respectée.
En dehors de ces techniques de stockage, il existe un procédé qui permet de récupérer dans les combustibles usagés de la matière encore utilisable pour produire de l'électricité. C'est ce qu'on appelle le retraitement. Il permet de diviser par 5 le volume final des déchets et par 10 leur activité. Toutefois, cette méthode entraîne des coûts conséquents et multiplie les transports de matières radioactives, ce qui augmente les risques d'accidents ou de détournements des matières fissibles. C'est pourquoi peu de pays ont opté pour cette filière de retraitement: la France, la Grande-Bretagne, la Russie et le Japon sont actuellement les seuls. Certains, comme l'Allemagne, le Suisse et la Begique font retraiter leurs déchets par d'autres pays. Les autres tels que les Etats-Unis et la Suède refusent le ratraitement et leurs combustibles usés sont uniquement stockés après leur retrait du réacteur.
Toutefois, retraitement ou non, la question sur la gestion des déchets DHA et des déchets ultimes (après retraitement) se pose encore. Leur décroissance radioactive s'étend sur des milliers d'années.
60 ans après l'exploitation des premières centrales nucléaires, les Etats ne savent toujours pas très bien comment gérer ces produits...
