L'énergie nucléaire

Index
Introduction
L’utilisation de la fission nucléaire
La fusion thermonucléaire, ses contraintes et ses avantages de principe
Le projet ITER

Introduction

Parmi les sources primaires d’énergie dont l’humanité peut disposer, la matière nucléaire fissile (uranium par exemple) occupe une place de choix. 

En effet, elle constitue une réserve énergétique très importante, capable de prendre  partiellement la relève des énergies fossiles, dès maintenant, pour plusieurs siècles si l’on utilise au maximum son potentiel énergétique  dans des réacteurs à neutrons rapides.

Par ailleurs, la répartition des réserves à la surface du globe est très différente de celle des énergies fossiles avec l’incidence positive que cela entraîne sur les problèmes géopolitiques. Une part importante des ressources identifiées se trouve, en effet, dans des pays politiquement et économiquement stables comme le Canada ou l’Australie. (A noter enfin que si, dans un avenir lointain, l’énergie de fusion nucléaire s’avérait contrôlable et disponible, elle constituerait alors une ressource pratiquement illimitée.)

Parmi les autres avantages de ce type de production d’énergie :

• l’absence de production de gaz carbonique, si critique pour le changement climatique,
• une énergie obtenue sous une très forte densité, puisqu’une tonne d’uranium renferme une énergie disponible équivalente  à celle fournie par 20 000 tonnes de charbon si l’on ne tient compte que de la fission de l’uranium 235 et 100 fois plus si l’on utilise l’uranium dans sa totalité au sein d’un réacteur à neutrons rapides. La comparaison est frappante entre le volume du combustible nécessaire à un réacteur nucléaire et les « montagnes » qui entourent une centrale thermique à utilisant ce combustible fossile.

L’utilisation de la fission nucléaire

Quelques mots sur la fission nucléaire et le principe d’un réacteur nucléaire:

Les noyaux des atomes des éléments les plus lourds du tableau de Mendeleïev ont de la difficulté à rester stable. Ils peuvent être suffisamment instables pour que le choc d’un neutron extérieur les fasse « éclater », généralement en deux morceaux assez gros, deux nouveaux noyaux appelés « produits » de la fission, plus un certain nombre de nouveaux neutrons. Ces neutrons vont frapper, à leur tour d’autres noyaux « fissiles » voisins et, dans certaines conditions, provoquer de nouvelles fissions. C’est ce qu’on appelle une « réaction en chaîne ».

SCHEMA DE PRINCIPE REACTEUR A EAU PRESSURISEE

Une partie de l’énergie des neutrons ainsi produits est  absorbée et transformée en chaleur. Le refroidissement du cœur du réacteur permet de chauffer un liquide, généralement de l’eau directement ou après échanges thermiques. On récupère alors cette énergie dans un échangeur classique et on la convertit en électricité à l’aide d’un alternateur (v. schéma ci-contre).

Ce mode de production est largement et industriellement répandu dans le Monde où 35 pays produisent une part significative de leur électricité dans 439 réacteurs. Le nucléaire produit au total environ 20% de l’électricité mondiale.
Si les réacteurs actuels utilisent l’uranium comme matière fissile, il n’est pas exclu d’utiliser le thorium, abondant au sein de la croûte terrestre, mais c’est toute une nouvelle filière industrielle qu’il faudrait alors imaginer et mettre au point.

La fusion thermonucléaire, ses contraintes et ses avantages de principe

Cette réaction consiste à fusionner deux noyaux légers, hydrogène ou  l’un de ses isotopes, pour constituer un noyau

On peut calculer que l’énergie obtenue par la fusion de 1g. de DT est d’environ  75000 kWh Pour obtenir la même énergie, il faudrait fissionner 3g. d’U235,  brûler 8 t de charbon, ou encore récupérer l’énergie délivrée par la chute de près de 7t. d’eau tombant de 10m

plus lourd. Au cours de cette réaction se produit un grand dégagement d’énergie. Mais pour la mettre en œuvre, il faut vaincre la répulsion électrostatique très forte qui s’exerce entre les protons de chacun des noyaux.
C’est ce type de réaction qui se produit à l’intérieur du Soleil et qui est à l’origine de l’énergie qu’il dégage ; encore que les conditions au sein de notre astre soient assez différentes de celles que l’on peut envisager dans des réalisations terrestres (la densité y est bien plus forte et la réaction se fait sur l’hydrogène). En dehors des étoiles, cette réaction n’a jusqu’ici été obtenue sur Terre que dans l’arme thermonucléaire, avec une production d’énergie explosive, non contrôlée.

Lorsque l’on utilise un combustible fossile (charbon, pétrole, gaz) pour produire de l’énergie, on récupère l’énergie dégagée lors de la rupture des liaisons entre atomes d’une molécule ou entre électrons et ion d’un même atome. Cette énergie est de l’ordre de quelques électron-volts (ev) ou quelques dizaines d’ev par atome. Lorsqu’on procède à la fission de l’uranium235 ou du plutonium, on récupère l’énergie de liaison des constituants du noyau soit environ 200 millions d’électron-volts (Mev) par noyau fissile. Enfin, lorsqu’on réalise la fusion de deux noyaux légers (deutérium [D] et tritium [T] par exemple) on récupère environ 17 Mev . Si l’on compare les énergies récupérées rapportées à la masse de « combustible » mise en jeu dans ces différents processus, on perçoit l’avantage de l’énergie nucléaire qu’elle soit de fission ou de fusion (v. encart ci-dessus).

Mais, pour produire des réactions de fusion et vaincre la répulsion électrostatique entre protons, il est nécessaire d’atteindre des températures de l’ordre de 100 à 200 millions de d° et de maintenir ces températures pendant des durées de l’ordre de 1 à 2 secondes.
Tout le travail de recherche de ces dernières décennies autour des expériences « Tokamak » a été d’élever la température du milieu et de contenir (ou confiner) pendant des temps de plus en plus longs, le gaz ou « plasma » au sein duquel la fusion doit avoir lieu. Ce confinement est obtenu à l’aide de champs magnétiques intenses.

On pourra trouver sur le diagramme ci-contre un aperçu de la progression des paramètres température (T) et densité x temps de confinement (n) obtenus dans les différentes expériences menées dans le monde.

Progrès dans le domaine
de la fusion nucléaire:

• I : avant 1970
• II : 1970-1980
• III : depuis 1980
• IV : domaine du réacteur

Le projet ITER….et la suite

Après un grand débat entre Union européenne, États-Unis, Russie, Chine, Japon, Corée du Sud, Canada sur la localisation du projet (France ou  Japon), le site de Cadarache a été finalement retenu (décision du 28/06/2005 à Moscou) pour l'implantation du réacteur thermonucléaire expérimental ITER. Ce projet devrait permettre de progresser encore et de prouver la faisabilité d’un réacteur de fusion. De difficiles recherches sont encore à mener à la fois pour assurer au plasma une durée de vie suffisante et pour mettre au point les matériaux à employer pour construire un futur réacteur. 

Projet  ITER:
Le calendrier pourrait s’imaginer ainsi
 2005 : lancement du projet ITER
 2015 : premier plasma
 après 2015 : expérimentation

Un réacteur industriel, produisant de l’énergie, ne pourra donc être envisagé qu’après ces étapes, en supposant que celles-ci soient couronnées de succès.

Nota : Il faut signaler que des études pour obtenir la fusion thermonucléaire en laboratoire sont également menées dans un schéma différent du confinement magnétique. Il s’agit du confinement inertiel par lequel des densités très élevées sont obtenues pendant des temps courts à l’aide de lasers de grande puissance.

A propos de la fusion, on entend souvent dire que ce serait une énergie « propre » au sens de « sans déchets », sans incidence environnementale. Il ne serait pas exact de prétendre que ce mode de production d’énergie s’opère sans déchets. D’abord l’activation des matériaux d’enceinte conduit à l’existence de déchets contenant des substances radioactives de durée moyenne. D’autre part le gaz utilisé (deutérium – tritium) est composé en partie d’une substance radioactive qui est le tritium (isotope de l’hydrogène) dont l’emploi est très sévèrement réglementé. Enfin il faudra, pour produire ce tritium employer de grandes quantités de lithium. Autour de ces questions, encore, il y a bien du travail à faire avant d’envisager une application industrielle. Si elle voit jamais le jour, celle-ci ne saurait être effective qu’au-delà de 50 ans.

La fusion thermonucléaire contrôlée peut apparaître comme la solution miracle définitive à tous les problèmes d’énergie. Il est exact que si elle était mise en oeuvre les ressources énergétiques deviendraient pratiquement inépuisables puisque le deutérium peut être extrait de l’eau de mer et le lithium existe en grandes quantités sur notre globe. Mais on est encore très loin d’une expérience de réelle faisabilité industrielle.

Comment ça marche: extrait du site http://www.iter.gouv.fr.

Le mélange combustible deutérium-tritium est injecté (1) dans une chambre où, grâce à un système de confinement, il passe à l'état de plasma et brûle (2). Ce faisant, le réacteur produit des cendres (les atomes d'hélium) et de l'énergie sous forme de particules rapides ou de rayonnement (3). L'énergie produite sous forme de particules et de rayonnement s'absorbe dans un composant particulier, la "première paroi", qui, comme son nom l'indique, est le premier élément matériel rencontré au-delà du plasma. L'énergie qui apparaît sous forme d'énergie cinétique des neutrons est, quant à elle, convertie en chaleur dans la couverture tritigène (4), élément au-delà de la première paroi, mais néanmoins à l'intérieur de la chambre à vide. La chambre à vide est le composant qui clôt l'espace où a lieu la réaction de fusion. Première paroi, couverture et chambre à vide sont bien évidemment refroidies par un système d'extraction de la chaleur. La chaleur est utilisée pour produire de la vapeur et alimenter un ensemble classique turbine et alternateur producteur d'électricité (5).

ABK 10/07/05