L’énergie nucléaire.

Selon le contexte d’usage, le terme d’énergie nucléaire recouvre plusieurs acceptions, toutes liées à la physique et aux réactions de noyaux atomiques.

  • Dans le langage courant, l’énergie nucléaire correspond aux usages civils et militaires de l’énergie libérée lors des réactions de fission nucléaire ou de fusion nucléaire de noyaux atomiques au sein d’un  réacteur nucléaire ou lors d’une explosion atomique.

  • Dans le domaine des sciences de la Terre et de l’Univers, l’énergie nucléaire est l’énergie libérée par les réactions de fusion nucléaire au sein des étoiles — par exemple le Soleil — ainsi que par la radioactivité naturelle, la principale source d’énergie du volcanisme de la Terre
  • En physique des particules, l’énergie nucléaire est l’énergie associée à la force de cohésion des nucléons (protons et neutrons), la force nucléaire forte au sein du noyau des atomes. Les transformations du noyau libérant cette énergie sont les réactions nucléaires. La force nucléaire faible régit les réactions entre particules et neutrinos.


La radioactivité est un phénomène physique naturel, se manifestant par le fait que certains types de noyaux atomiques, instables, peuvent dissiper sous forme d’énergie une partie de leur masse initiale (transformée selon la célèbre formule E=mc2 d’Albert Einstein) et évoluer spontanément vers des noyaux atomiques plus stables, par désintégration.

Un corps radioactif dégage naturellement cette énergie sous la forme d’un flux de rayonnement ionisant et de chaleur. Cette chaleur est  particulièrement intense pour le combustible nucléaire dans le réacteur ; c’est la raison pour laquelle le combustible irradié est entreposé dans une piscine de désactivation près du réacteur. C’est le même phénomène qui est à l’origine d’une partie de la chaleur de la croûte continentale terrestre.

Une réaction nucléaire est une interaction dans laquelle un noyau interagit avec une autre particule (particule élémentaire, mais aussi noyau atomique ou rayonnement gamma) et subit un réarrangement nucléaire.

Ces réactions sont d’autant plus faciles qu’elles conduisent à des  configurations plus stables. La différence d’énergie (correspondant au défaut de masse) constitue alors l’énergie libérée par la réaction. Cette transformation de la masse en énergie (selon la célèbre formule E=mc2) est utilisée dans les réactions de fission et fusion nucléaires.

Lorsqu’un neutron percute le noyau de certains isotopes lourds, il existe une probabilité que le noyau percuté se scinde en deux noyaux plus légers. Cette réaction, qui porte le nom de fission nucléaire, se traduit par un dégagement d’énergie très important (de l’ordre de 200 MeV par  événement, à comparer aux énergies des réactions chimiques, de l’ordre de l’eV).

Cette fission s’accompagne de l’émission de plusieurs neutrons qui, dans certaines conditions, percutent d’autres noyaux et provoquent ainsi une réaction en chaîne. Dans un réacteur nucléaire, cette réaction en chaîne se déroule dans des conditions stables, à vitesse lente et contrôlée. Dans une bombe, où la matière est placée brusquement très loin de son domaine de stabilité, la réaction se multiplie si rapidement qu’elle conduit à une réaction explosive.

L’importance de l’énergie émise lors de la fission provient du fait que l’énergie de liaison par nucléon du noyau initial est plus faible que celle des noyaux produits (environ 7,7 MeV par nucléon pour les éléments lourds, contre 8,8 pour le fer). La plus grande partie de l’énergie se retrouve sous forme d’énergie cinétique des neutrons et des noyaux fils, une énergie récupérée sous forme de chaleur dans les réacteurs. D’après le CEA,  l’énergie produite par 1 kg d’uranium naturel dans un réacteur nucléaire est égale à l’énergie de 10 tonnes équivalent pétrole (tep)2. Selon les observations récentes d’ondes gravitationnelles3, cette énergie de liaison provient de la conversion d’énergie gravitationnelle en énergie cinétique, puis en énergie de liaison4 lors de la formation d’éléments lourds par processus r au cours de la coalescence de deux étoiles à neutrons (un phénomène aussi appelé kilonova).

La fusion nucléaire est une réaction dans laquelle deux noyaux atomiques s’assemblent pour former un noyau plus lourd ; par exemple, un noyau de deutérium et un noyau de tritium s’unissent pour former un noyau  d’hélium plus un neutron. La fusion des noyaux légers dégage une quantité considérable d’énergie provenant de l’interaction forte, bien plus  importante que la répulsion électrostatique entre les constituants des noyaux légers. Ceci se traduit par un défaut de masse (voir énergie de liaison et E=mc2), le noyau résultant ayant une masse moins élevée que la somme des masses des noyaux d’origine.

Cette réaction n’a lieu qu’à des températures très élevées (plusieurs dizaines de millions de degrés) où la matière est à l’état de plasma. Ces conditions sont réunies au sein des étoiles, lors de l’explosion d’une bombe à fission nucléaire qui amorce ainsi l’explosion thermonucléaire (bombe H), ou dans des réacteurs nucléaires expérimentaux.

En 2021, aucune installation ne permet une production nette d’énergie par le contrôle de réactions de fusion nucléaire. Des recherches sont en cours afin d’obtenir un plasma sur une durée suffisante, afin que l’énergie de fusion produite soit supérieure à celle investie dans le chauffage des particules. En particulier, le projet international ITER fédère des chercheurs pour développer un usage civil de cette énergie. L’assemblage de ce réacteur a débuté le juillet 2020 à Saint-Paul-lès-Durance en France et ses premiers essais devraient avoir lieu en 2025.

Les applications de l’énergie nucléaire concernent, pour l’essentiel, deux domaines :

  • la production d’électricité dans des centrales nucléaires ;
  • la propulsion navale, principalement pour les flottes militaires (sous-marins et porte-avions) et pour quelques navires civils, notamment des brise-glaces.

Une autre application est la production d’isotopes radioactifs utilisés dans l’industrie (radiographie de soudure, par exemple) et en médecine (médecine nucléaire et radiothérapie). D’autres utilisations ont été imaginées, voire expérimentées, comme la production de chaleur pour alimenter un réseau de chauffage, le dessalement de l’eau de mer ou la production d’hydrogène.

Ces applications utilisent des réacteurs nucléaires (appelés aussi piles atomiques, lorsqu’il s’agit de faible puissance, d’usage expérimental et de production de radioisotopes). Les réactions de fission nucléaire y sont amorcées, modérées et contrôlées dans le cœur, soit l’assemblage de combustible et de barres de contrôle traversé par un fluide  caloporteur qui en extrait la chaleur. Cette chaleur est ensuite convertie en énergie électrique (ou en énergie motrice pour la propulsion navale) par l’intermédiaire de turbines (vapo-alternateurs).

Centrale nucléaire, carte maximum, France.

Les 441 réacteurs en fonctionnement au 4 juillet 2020 totalisent une puissance installée de 390 220 MW, dont 97 154 MW (24,9 %) aux États-Unis, 62 250 MW (16 %) en France, 45 518 MW (11,7 %) en Chine, 31 679 MW (8,1 %) au Japon (33 réacteurs dont seulement 9 ont été autorisés à redémarrer), 28 437 MW (7,3 %) en Russie et 23 172 MW (5,9 %) en Corée du sud.

Les 54 réacteurs en construction dans 19 pays totalisent une puissance de 57 441 MW, dont 10 564 MW (18,4 %) en Chine, 5 380 MW (9,4 %) aux Émirats arabes unis, 4 824 MW (8,4 %) en Inde, 4 525 MW (7,9 %) en Russie et 3 260 MW (5,7 %) au Royaume-Uni.

La production d’électricité des centrales nucléaires a atteint un pic de 2 661 TWh en 2006 ; après une chute à 2 346 TWh en 2012 consécutive à l’accident nucléaire de Fukushima, elle est remontée progressivement à 2 586 TWh en 2019.

La part du nucléaire dans la production mondiale d’électricité était de 10,3 % en 2017 contre 3,3 % en 1973. En 2019, les principaux pays producteurs d’électricité nucléaire sont les États-Unis (809 TWh, 31,8 % du total mondial), la France (382 TWh, 15,1 %), la Chine (330 TWh, 9,4 %), la Russie (195,5 TWh, 7,7 %) et la Corée du sud (139 TWh, 5,6 %)11,12. En 2020, la Chine augmente sa production de 4,4 points par le démarrage deux nouveaux réacteurs et prend sa deuxième place à la France.

À la suite de l’accident nucléaire de Fukushima, la production d’électricité d’origine nucléaire a chuté de 2 518 TWh en 2011, soit 13,5 % de la production mondiale d’électricité, à 10,8 % en 2012, puis se maintient à environ 11 % jusqu’en 2015.

La France est le pays dont la part d’électricité d’origine nucléaire est la plus élevée en 2019 (70,6 %), suivie par la Slovaquie (53,9 %), l’Ukraine (53,9 %), la Hongrie (49,2 %) et la Belgique (47,6 %). Cette production en Chine est en progression rapide depuis le milieu des années 2000, elle atteint en 2019 4,9 % de la production électrique du pays.

Dans l’Union européenne, 13 États membres produisent de l’électricité nucléaire. En 2020, cette production nucléaire se chiffre à  683 512 GWh — soit 25 % — de la production d’électricité de l’union. Le plus gros producteur de l’UE est la France (52 % de la production de l’UE), suivi de l’Allemagne (9 %), l’Espagne (9 %) et la Suède (7 %). Ces quatre pays ensemble produisent les trois quarts de l’électricité nucléaire l’UE.

Le 28 novembre 2018, la Commission européenne publie une communication proposant une stratégie énergétique à long terme (2050) axée sur la décarbonation de la consommation d’énergie, réduisant les émissions de 90 % d’ici 2050 par la combinaison de mesures d’amélioration de l’efficacité énergétique, d’augmentation de la part de l’électricité dans la consommation finale d’énergie (53 % en 2050 contre 20 % en 2017) ; elle prévoit une utilisation accrue du nucléaire (15 % de la production d’électricité en 2050) à côté des énergies renouvelables (80 % en 2050).

Source : Wikipédia.

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