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Energie nucléaire : quelle est sa place dans le futur paysage énergétique mondial ?

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Edito : Energie nucléaire : quelle est sa place dans le futur paysage énergétique mondial ?

Jeudi, 20/02/2014 - 23:00 4 commentaires
Energie nucléaire : quelle est sa place dans le futur paysage énergétique mondial ? zoom

Au cours des 40 dernières années, la consommation mondiale d'énergie et les émissions humaines de CO2 ont plus que doublé. Aujourd'hui, le monde consomme 12 gigatonnes d'équivalent-pétrole et émet 8 gigatonnes de carbone par an et chaque terrien consomme en moyenne 1,6 tonne d’équivalent-pétrole et émet plus d'une tonne de CO2 chaque année !

Avec un tel rythme, le monde aura besoin d’environ 30 Gigateps d'énergie en 2050, plus de 3 tonnes équivalent pétrole par habitant. Quant aux émissions humaines de gaz à effet de serre, elles dépassent déjà les 55 gigatonnes équivalent carbone par an. Or, pour pouvoir limiter le réchauffement mondial à 2° C, les derniers travaux du Giec rappellent que ces émissions ne devraient pas dépasser 44 Gtonnes équivalent-CO2 à l'horizon 2020, puis descendre à 35 Gtonnes à l'horizon 2030 et à 22 Gtonnes à l'horizon 2050. Il est donc absolument crucial que l’Humanité parvienne à diviser par 2,5 ses émissions (et les pays développés par quatre) globales de gaz à effet de serre d’ici le milieu de ce siècle, non pour éviter mais simplement pour limiter les effets catastrophiques du changement climatique en cours !

Pourtant, plus des trois quarts de l’énergie primaire consommée aujourd’hui par la Planète provient encore de l'utilisation des combustibles fossiles (charbon, pétrole et gaz). Dopée par une forte baisse des prix et par une demande mondiale d’énergie qui explose, la consommation mondiale de charbon a explosé au cours de ces dernières décennies pour atteindre les 6 milliards de tonnes par an et l’AIE prévoit qu’elle deviendra d’ici 2015 la première énergie consommée dans le monde, devant le pétrole ! En 2014, le charbon sera responsable de près de la moitié des émissions mondiales de CO2 liées à l’énergie, contre 30 % pour le pétrole et 20 % pour le gaz.

Comment ne pas voir qu’il n’est pas possible qu’une telle évolution désastreuse puisse perdurer très longtemps et que cette source d’énergie particulièrement polluante, sortie du XIXe siècle, puisse continuer à représenter une telle part dans le mix énergétique mondial ?

Tirée par le développement économique mondial, la consommation d’énergie de la Planète va continuer à croître très fortement au cours des prochaines décennies et l’essor réel des énergies renouvelables, qui représente aujourd’hui un peu plus de 15 % de la consommation mondiale d’énergie ne parviendra sans doute pas à satisfaire entièrement cette soif toujours plus grande d’énergie qui alimente l’essor économique mondial sans précédent qui est en cours.

Face à cette équation redoutable qui va consister à doubler la production mondiale d’énergie au cours des 40 prochaines années tout en diminuant de plus de moitié nos émissions de gaz à effet de serre, il est fort peu probable que l’Humanité puisse se passer de l’énergie nucléaire, comme le souligne d’ailleurs l’Agence Internationale de l’Énergie qui prévoit la mise en service de 90 à 350 nouveaux réacteurs nucléaires dans le monde d’ici 2030.

Mais quand nous parlons d’énergie nucléaire, nous n’évoquons que la fission nucléaire qui est l’une  des deux formes que peut prendre cette énergie. La fission nucléaire consiste schématiquement à « casser » des noyaux d’atomes lourds, comme l’uranium, ce qui a pour effet d’obtenir la production de noyaux plus légers mais également de produire une énorme quantité d’énergie sous forme de chaleur, en vertu de l’équation d’Einstein E=MC2 qui établit l’équivalence entre matière et énergie.

On comprend mieux la prodigieuse efficacité de cette énergie nucléaire de fission quand on sait qu’un gramme d’uranium permet de produire autant d’énergie que 2,4 tonnes de charbon ou 1,6 tonne de pétrole ! Concrètement, cela signifie que la totalité de la consommation énergétique annuelle de la France (260 millions de tonnes équivalent pétrole) correspond, convertie en énergie nucléaire, à l’utilisation de moins de 200 tonnes d’uranium par an…

Mais si cette énergie nucléaire de fission, seule forme d’énergie nucléaire civile actuellement utilisée dans le monde, présente l’avantage de permettre une production d’énergie considérable sans émissions importantes (au regard des quantités d’énergie produites) de gaz à effet de serre, elle présente le grave inconvénient d’entraîner la production de déchets radioactifs qui représentent aujourd’hui un volume d’environ 30 millions de mètres cubes, dont 3 % vont rester très radioactifs pendant plusieurs centaines de milliers d’années, ce qui constitue un véritable défi technologique, économique et social en matière de sécurité et stockage.

Après des décennies de recherche, une équipe franco-belge associant des chercheurs belges du SCK-CEN et français du CNRS a réalisé début 2013 une première mondiale en couplant un réacteur nucléaire rapide avec un accélérateur de particules, ce qui constitue une avancée décisive vers la réalisation de MYRRHA, un démonstrateur préindustriel d’incinération des déchets radioactifs à vie longue.

MYRRHA, qui sera opérationnel dans une dizaine d’années, sera capable de réaliser à l’aide de neutrons rapides la transmutation des éléments les plus radioactifs contenus dans les déchets nucléaires, ce qui devrait permettre de réduire d’un facteur 1000 la durée pendant laquelle ces éléments restent très radioactifs. La faisabilité, à présent démontrée scientifiquement, de cette transmutation des déchets très radioactifs va évidemment profondément bouleverser la donne en matière de retraitement et de stockage des déchets nucléaires et devrait lever l’un des obstacles majeurs qui est à la source de l’opposition d’une part croissante de l’opinion publique à l’exploitation de cette forme d’énergie.

Mais on oublie souvent qu’il existe également une autre forme d’énergie nucléaire que l’on peut observer en regardant notre soleil : la fusion thermonucléaire. En effet, la chaleur et la lumière qui proviennent du soleil résultent chaque seconde de la fusion de 600 millions de tonnes d'hydrogène qui se transforment en un élément léger, l’hélium. 

Contrairement à la fission, la fusion nucléaire est un processus qui provoque l’union de deux noyaux nucléaires légers pour former un noyau nucléaire plus  lourd. Dans ce cas, il se produit également une énorme production d’énergie sous forme de chaleur, toujours en vertu de l’équivalence entre matière et énergie établie par Albert Einstein. On mesure mieux l’extraordinaire rendement énergétique de la fusion nucléaire quand on sait qu’un gramme de deutérium (isotope naturel de l'hydrogène) fusionné avec un gramme et demi de tritium peut produire environ 100 000 kWh, autant d'énergie que 10 tonnes de pétrole ou qu’un kilo d'uranium !

Depuis plus d’un demi-siècle tous les grands pays développés cherchent à maîtriser la fusion thermonucléaire afin de l’utiliser à la production d’énergie. En 2005, 34 états ont décidé d’unir leurs efforts scientifiques en réalisant à Cadarache, en Provence, un projet très ambitieux, le projet Iter (International Thermonuclear Experimental Reactor ou réacteur thermonucléaire expérimental international). Cet outil unique au monde, dont la construction a commencé il y a quelques mois, doit permettre de démontrer définitivement, d’ici 2030, la faisabilité technologique de la production d’énergie par fusion nucléaire puis doit déboucher, d’ici 2050, sur la réalisation des premiers réacteurs industriels permettant une production massive d’énergie grâce à cette technologie.

Il faut également préciser que depuis un demi-siècle la performance des plasmas produits dans les réacteurs en fusion a été multipliée par 10 000. En 1991, des chercheurs européens du JET (Joint European Torus) ont réussi pour la première fois à porter un plasma à 200 millions de degrés pendant deux secondes et à produire ainsi deux mégawatts d’énergie, démontrant la faisabilité technique de cette technologie.

Depuis cette date historique, les progrès dans la maîtrise de la fusion thermonucléaire contrôlée se sont accumulés et début 2012, des chercheurs du Centre de recherches en physique des plasmas de l’EPFL dirigés par Jonathan Graves sont parvenus à stopper la croissance des instabilités au cœur d’un réacteur à fusion (Voir Nature communications). Désormais, l’objectif est de gagner encore un ordre de grandeur pour réaliser un réacteur capable de produire durablement plus d’énergie qu’il n’en faut pour l’alimenter.

Pour parvenir à maîtriser la fusion thermonucléaire, il existe deux grandes voies de recherche. La première est celle du confinement magnétique (mise en œuvre avec ITER à Cadarache) qui emprisonne des plasmas (gaz ionisé très chaud) dans des tores magnétiques appelées tokamaks. La seconde voie est celle du confinement inertiel qui consiste à bombarder à l’aide de faisceaux laser très puissants de petites billes de deutérium pour provoquer ce phénomène de fusion nucléaire.

Il y a quelques jours, une équipe américaine du laboratoire national Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), a réussi une nouvelle avancée vers la fusion par confinement inertiel en utilisant simultanément 192 faisceaux laser très puissants pour comprimer de minuscules billes de deutérium et de tritium (Voir Nature).

En France, notre recherche disposera d’ici la fin de l’année d’un outil exceptionnel, le laser mégajoule qui sera mis en service à Bordeaux. D’une puissance d’1,8 mégajoule, ce laser composé de 240 faisceaux devrait permettre de nouvelles avancées décisives vers la fusion thermonucléaire par confinement inertiel. 

Sans entrer dans des détails trop techniques, il est toutefois important de rappeler les trois différences absolument fondamentales qui distinguent l’énergie nucléaire par fusion de celle par fission. La première différence tient à l’abondance du combustible de base : contrairement à l’énergie nucléaire produite par fission, la fusion thermonucléaire n’a besoin que de petites quantités de combustible (moins d’une tonne par an pour un réacteur) pour fonctionner. Il n’y a donc aucun risque de pénurie dans ce domaine d’autant plus que les matières premières de base, deutérium et tritium, nécessaires à la fusion thermonucléaire, peuvent être produites en abondance.

La deuxième différence majeure qui caractérise la fusion thermonucléaire contrôlée est liée à son mode de fonctionnement spécifique : pour produire de l’énergie par fusion nucléaire, les futurs réacteurs n’utiliseront que de minuscules quantités de combustible (quelques grammes par heures) et la réaction de fusion pourra être interrompue simplement en arrêtant l’alimentation du réacteur. Contrairement aux réacteurs actuels utilisant la fission nucléaire, un réacteur à fusion ne pourra en aucun cas exploser ou provoquer une émission importante de radiations.

Enfin, dernière différence également fondamentale avec la fission nucléaire, la fusion thermonucléaire produit uniquement du tritium, qui ne reste radioactif que pendant 12 ans et ne produit pas de déchets fortement radioactifs pendant de très longues périodes.

Mais parallèlement à ces recherches sur la fusion thermonucléaire contrôlée, d’autres scientifiques explorent également des voies originales de production d’énergie à partir de l’énergie nucléaire de fission, celle actuellement à l’œuvre dans tous les réacteurs nucléaires commerciaux.

C’est notamment le cas de trois anciens étudiants du MIT, Russ Wilcox, Mark Massie et Leslie Dewan, qui ont conçu un réacteur nucléaire, capable simultanément de produire de l’électricité en consumant les déchets radioactifs issus des centrales conventionnelles et de réduire considérablement la durée de vie radioactive de ces derniers (Voir Next Big Future et Next Big Future et MIT Technology Review).

Reprenant les recherches effectuées entre 1950 et 1980 sur les réacteurs à sels fondus, ces chercheurs ont développé, dans le cadre de leur entreprise baptisée Transatomic Power, une nouvelle technologie qui utilise notamment, à la place du graphite, un modérateur en hydrures de zirconium. Autre innovation : le FLiBe (mélange de fluorure de lithium et de fluorure de béryllium), utilisé comme sel fondu est ici remplacé par des fluorures de lithium et d’uranium. Résultat : il devient possible, dans ce nouveau type de réacteur, d’utiliser un uranium très faiblement enrichi et de multiplier par 75 le rendement énergétique par tonne d’uranium extrait.

Mais ce n’est pas tout. Ce nouveau type de réacteur pourrait également, comme MYRRHA que nous avons déjà évoqué, réduire d’un facteur 1000 la durée de vie radioactive des déchets les plus dangereux. Dans ce nouveau concept de production d’énergie nucléaire, ce réacteur à sels fondus pourrait tout à fait être implanté à proximité des réacteurs classiques en service, ce qui lui permettrait de s’alimenter en déchets nucléaires directement à la source et résoudrait du même coup le délicat problème du transport sécurisé des déchets radioactifs.

En outre, même dans l’hypothèse où il n’y aurait pas de déchets nucléaires disponibles pour l’alimenter, ce type de réacteur serait capable de fonctionner en utilisant comme combustible, soit de l’uranium faiblement enrichi, soit du thorium.

Ces chercheurs affirment qu’en utilisant cette technologie il serait possible, à partir des 270 000 tonnes de déchets nucléaires déjà stockées, de satisfaire toute la consommation électrique mondiale pendant 72 ans au rythme actuel de consommation. En outre, cette estimation ne tient pas compte selon eux des nouveaux déchets nucléaires qui seraient produits après l’entrée en service de leurs réacteurs ; elle ne prend pas non plus en considération l’uranium récupérable dans le sous-sol et les énormes réserves de thorium disponibles (2,5 millions de tonnes de réserves prouvées dans le monde selon le CEA). 

Alors qu’un réacteur classique produit environ 20 tonnes de déchets hautement radioactifs chaque année, ce nouveau type de réacteur à sels fondus de 500 mégawatts produirait seulement 4 kg de déchets très radioactifs par an et 250 kg de déchets moins radioactifs, devant être stockés pendant environ 500 ans.

Sur le plan économique, les responsables de Transatomic Power pensent pouvoir diviser par deux le coût de construction d’un réacteur de 500 MW et l’abaisser à 1,7 milliard de dollars. In fine, le coût de production de cette énergie nucléaire diminuerait pour produire une électricité nucléaire moins chère que celles issues des centrales à charbon très polluantes et fortement émettrices de gaz à effet de serre.

Il faut enfin préciser que ce réacteur à sels fondus est, de par sa conception, intrinsèquement beaucoup plus sûr que les actuels réacteurs à fission. En effet, contrairement aux réacteurs en service qui doivent être refroidis en permanence même après leur arrêt, ce type de réacteur à sels fondus présente un point beaucoup plus élevé d’ébullition et en cas de surchauffe, le sel fondu permet la dilution du combustible et l’arrêt de la réaction nucléaire.

Il serait souhaitable que l’ensemble de ces avancées scientifiques et technologiques dans les différentes formes d’énergie nucléaire exploitables pour produire de l’énergie viennent éclairer et alimenter le grand débat national sur l’énergie qui va bientôt s’ouvrir et nous conduisent à nous interroger sur la place que peut avoir globalement l’énergie nucléaire dans le nouveau paysage énergétique mondial qui émergera au milieu de ce siècle.

Même s’il faut rappeler que l’énergie nucléaire n’assure actuellement que 5,7 % de la production d’énergie primaire de la Planète et ne représente qu’environ 12 % de sa production d’électricité, cette part reste considérable si on la considère en valeur absolue.

En outre, loin de connaître le déclin annoncé après la catastrophe de Fukushima, le nucléaire a repris sa croissance dans le monde puisqu’aujourd’hui 64 nouveaux réacteurs sont en construction. L’Agence Internationale de l’Énergie prévoit d’ailleurs que la puissance nucléaire installée dans le monde devrait augmenter de près de 50 % d’ici 2035, passant de 390 à 580 gigawatts.

Ce nouveau souffle de l’énergie nucléaire n’empêche nullement le fort développement des énergies renouvelables qui représentent déjà (hydraulique compris) environ 13 % de la production d’énergie primaire dans le monde et devraient représenter, selon les prévisions de l’AIE, 25 % de la production mondiale d’électricité en 2018. L’AIE souligne par ailleurs, dans son dernier rapport, qu’à cette échéance l’ensemble des énergies renouvelables devrait produire deux fois plus d’électricité dans le monde que le nucléaire.

J’ai la conviction que si l’on considère les différentes dimensions scientifiques, économiques, industrielles, sociales et climatiques de cette question, il n’y a donc pas lieu d’opposer de manière artificielle et stérile le développement souhaitable des énergies renouvelables et celui tout aussi nécessaire à mon sens de l’énergie nucléaire de nouvelle génération.

Si nous voulons en effet parvenir à réduire au moins de moitié d’ici 2050 nos émissions de gaz à effet de serre liées à l’énergie, nous ne pourrons pas nous passer de l’apport du nucléaire dans le bouquet énergétique mondial, sauf à augmenter encore la part déjà considérable du charbon pour satisfaire la soif d’énergie mondiale. Mais un tel choix énergétique aurait évidemment des conséquences catastrophiques en augmentant dramatiquement nos émissions de CO2 et en aggravant les effets sanitaires considérables liés à la pollution atmosphérique provoquée par la combustion du charbon.

À cet égard, une remarquable étude scientifique internationale publiée il y a quelques jours (Voir PNAS) mérite d’être méditée. Ce travail rigoureux a permis d’évaluer les conséquences sur la mortalité et l’espérance de vie du système gratuit de chauffage au charbon que le gouvernement chinois avait instauré entre 1950 et 1980 dans une région bien délimitée du nord de la Chine.

Les résultats de cette étude sont pour le moins édifiants et montrent que la population de cette région a perdu en moyenne cinq ans et demi d’espérance de vie par rapport aux habitants des autres régions de la Chine… Un rapport de la Banque Mondiale publié en 2007 a par ailleurs estimé à 750 000 le nombre de morts provoquées chaque année en Chine par la pollution atmosphérique largement provoquée par les centrales thermiques au charbon.

Est-il si difficile d’admettre, comme l’a fait par exemple James Hansen, climatologue de renommée mondiale, que l’utilisation massive des énergies fossiles pour produire notre énergie au niveau mondial a des conséquences climatiques, médicales et sanitaires infiniment plus grandes et dévastatrices que le recours à l’énergie nucléaire ? Le temps est venu de regarder la réalité en face et de s’affranchir des grilles idéologiques simplistes et dépassées : si nous voulons à la fois satisfaire la demande énergétique mondiale croissante et prendre à bras-le-corps le problème du réchauffement climatique et de la réduction des gaz à effet de serre, nous ne pourrons pas faire totalement l’impasse sur le recours aux différentes formes d’énergie nucléaire que je viens d’évoquer, ce qui n’empêche nullement d’intensifier les recherches dans le domaine des énergies renouvelables et de soutenir activement le déploiement de ces énergies propres au niveau local, national et européen.

Souhaitons que dans la perspective du débat très important sur la transition énergétique qui va s’ouvrir dans les mois à venir dans notre Pays, nous soyons capables de réfléchir de manière sereine et globale à ces questions fondamentales pour notre avenir, sans oublier que la priorité absolue pour l’Humanité est à présent d’empêcher une catastrophe climatique de grande ampleur et d’en réduire drastiquement les effets funestes en actionnant tous les leviers à sa disposition, y compris celui du nucléaire. Souhaitons qu’à l’issue de ce grand débat démocratique qui va s’ouvrir, nos concitoyens parviennent à mieux percevoir et à mieux hiérarchiser les dangers et les menaces que nous devons affronter et se prononcent de manière éclairée sur les choix politiques et sociaux majeurs que nous allons devoir faire pour résoudre la redoutable équation énergétique et climatique qui nous attend.

René TRÉGOUËT

Sénateur Honoraire

Fondateur du Groupe de Prospective du Sénat

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  • Daniel Heuer

    21/02/2014

    A l'attention de M René Trégouët que je félicite pour sa prise de position :

    Il n'est pas nécessaire d'aller aux USA pour trouver des chercheurs travaillant sur les réacteurs à sels fondus. Depuis 15 ans nous étudions un tel réacteur dans le but de développer un nucléaire socialement acceptable. Le réacteur que nous avons défini (MSFR pour Molten Salt Fast Reactor) est depuis 2008 le réacteur à sels fondus de référence pour le forum international génération IV. En plus des efforts du CNRS pour faire vivre cette activité de recherche, l'Europe a financé un projet sur les 3 dernières années pour améliorer la conception du réacteur. Nous sommes actuellement en train de préparer une proposition de projet pour l'Europe qui aurait pour but d'étudier en profondeur les aspect sûreté du MSFR.
    Dans le débat sur la transition énergétique, il serait peut-être bon de rappeler que la France est leader sur ce sujet et qu'il serait temps de passer à la vitesse supérieure en nous permettant de réaliser certaines démonstrations de base pour valider le concept avant d'envisager un éventuel démonstrateur d'ici 20 ou 30 ans.

  • HbdL

    25/02/2014

    Vous dites que la réaction de fusion nucléaire produit du tritium. Or, le deutérium et le tritium utilisé pour la fusion nucléaire sont des isotopes de l'hydrogène qui ne possède qu'un proton, donc on devrait trouver dans les réactifs 2 protons (celui du deutérium et celui du tritium). Si les 2 noyaux se fusionnent, alors ils mettent en commun leurs protons et forment ainsi de l'hélium. Le deutérium possède 1 neutron et le tritium 2, l'isotope stable de l'hélium en possède que 2, le dernier neutron est libre et peut servir à fissionner dans le réacteur un atome de lithium pour former du tritium. Le tritium est ainsi formé dans le réacteur et il n'y a pas de problème de radioactivité.
    Vous dites aussi que les réacteurs à sels fondu diluent le combustible lors d'une surchauffe. Ne serait-il pas plus avantageux d'utiliser un combustible en forme de particule enrobée qui permet de résister à des températures beaucoup plus élevée et de mieux confiner les produits radioactifs de fission.
    Vous ne parlez pas non plus des réacteurs à neutrons rapides qui permettent de consommer une grande partie des déchets à longue durée de vie, de réduire les déchets produits et de consommer l'uranium 238 non enrichit et même appauvrit en uranium 235

  • Daniel Heuer

    26/02/2014

    Bonjour Hbdl

    Les réacteurs à sels fondus ont justement l'avantage de pouvoir retirer les produits gênant, pour la réaction en chaîne, du combustible tout en laissant tous les autres. Si vous enfermez le combustible dans des particules incassables, vous ne pourrez utiliser le combustible qu'une seule fois puis vous devrez jeter tout le combustible, y compris ce qui n'aura pas fissionné. La production de déchets serait alors aussi importantes qu'actuellement. Un des buts des réacteurs à sels fondus est justement de réduire le plus possible la production de déchets. Seules les produits de fission sont incontournables et constituent le minimum recherché.
    Pour les réacteurs à neutrons rapides (je suppose que vous faites allusion au RNR-Na de type SuperPhénix) il faut remarquer qu'il n'est pas toujours envisagé de consommer les déchets à vie longue avec cette filière. Il est éventuellement possible qu'un RNR-Na réduise ses propres déchets (à l'exception bien sûr des produits de fission), mais pas ceux de la filière actuelle sauf le plutonium qui est le combustible de ces réacteurs.
    Par contre, un autre but des réacteurs à sels fondus est d'utiliser les déchets des réacteurs actuels (Np, Pu, Am et Cm) pour démarrer les premiers réacteurs, c'est d'ailleurs une des raisons qui nous a amené à configurer le MSFR avec un spectre neutronique rapide qui est bien plus efficace avec ce type de combustible.

  • Jocelyn CAULET

    27/02/2014

    Je me demandes juste pourquoi il n'y a pas d'allusions au SMR ( Small moldular reactor) qui sont une des voies d'avenir des reacteur à fissions actuels et qui augmentent très sensiblement la sûreté nucléaire ?

    Ces réacteurs seront disponible bien avant les réacteurs à sel fondu ( dont les tests sur les gros composants vont bientot débuter en france), les réacteurs à neutrons rapides ou la fusion.

    Surtout que la france travaille actuellement sur de tels projets et que plusieurs dizaines de ces projets sont en cours dans le monde.

    Cordialement

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