Alice & Peio
 
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B - Impact énergétique

Introduction

Aujourd’hui, près de 453 réacteurs nucléaires alimentent en électricité notre planète. Ils représentent 10% de la production mondiale. Cependant, 70 ans auparavant, aucun n’existait.  L’industrie de l’électronucléaire s’est donc démocratisée depuis 1954 lorsque le premier réacteur raccordé à un réseau civil a vu le jour. Cette source d'énergie a un impact fort sur notre société et son utilisation fait débat car nous en sommes devenus dépendants. Nous verrons donc dans cette partie le parcours de la centrale nucléaire, puis son avenir.

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Développement

1. Le parcours de la centrale nucléaire

A. L’apparition de la centrale nucléaire

Le 17 décembre 1938 Otto Hahn, Fritz Strassmann et Lise Meitner décrivent pour la première fois la fission nucléaire avec l’uranium.  Cette réaction est dite en chaîne car dans celle-ci, l’uranium 235. Le nombre "235" correspond au nombre de nucléon dans le noyau et le terme "enrichi" signifie que la quantité de matériau fissible a été augmentée artificiellement, avec 3 % ou 4 % de matériau fissible au lieu de 1 %. Cet atome d’uranium reçoit un neutron créé artificiellement qui entraîne sa fission. Cette réaction nucléaire spontanée s’accompagne d’une perte de masse et d’une libération d’énergie donnée par la relation: E=mc*c. D’autre part, trois neutrons sont projetés par la fission, ceux-ci entrainent à leur tour la fission d’autres atomes d’uranium, d’où l’appellation « réaction en chaîne ».

 

 

 

Par la suite en décembre 1942, Enrico Fermi crée la première pile atomique, ou réacteur nucléaire, où il réalise la réaction en chaîne de la fission de l’uranium en laboratoire. Ensuite, le 20 décembre 1951, en Idaho aux États-Unis, « l’experimental breeder reactor 1 » est le premier réacteur nucléaire produisant de l’énergie nucléaire. Cela signifie que la chaleur émanant de la réaction nucléaire a été de transformée en électricité. Cependant l’URSS avec sa centrale d'Obninsk (APS-1), est la première au monde raccordée à un réseau d'alimentation le 27 juin 1954.

B. Fonctionnement d’une centrale nucléaire à eau pressurisée

Tout d’abord, il y a le circuit primaire. Celui-ci fonctionne avec un combustible, comme l’uranium 235 enrichi ou le plutonium 239 qui provient de la fission de l’uranium 238. Le combustible est conditionné dans des pastilles cylindriques de 7 g d’environ 12 mm de hauteur et 8 mm de diamètre. Après, ces pastilles, regroupées par à peu près 400 dans crayons sont dans ce qu’on appelle la gaine du combustible, qui est obturée à chaque extrémité par un bouchon soudé, formant le cœur du réacteur. Ces gaines sont la première couche de protection contre les dangers de la fission nucléaire. Enfin, elles sont elles-mêmes dans une cuve d’eau. L’eau ralentit les neutrons pour limiter leur dispersion. La fission du combustible chauffe cette eau à 320°, sous-pression, de 155 à 160 bars, pour être maintenu à l’état liquide. Cette eau se situe dans le circuit primaire fermé, formant la deuxième couche de protection. D’autre part,  les barres de contrôle composées un matériau neutrophage comme le bore  qui peut absorber les neutrons agissent sur la réaction nucléaire. Plus on pose de barres, plus les neutrons sont absorbés et donc moins d’énergie est libérée. L’eau et  les barres de contrôle ont la fonction de modérateur, augmentant les chances que ces neutrons interagissent avec d’autres atomes fissibles.

Ensuite, dans le circuit secondaire,  l’eau du circuit secondaire servant de fluide caloporteur, c’est-à-dire fluide transportant la chaleur, au contact de l’eau  chaude du circuit primaire par conduction est transformée en vapeur: c’est le générateur de vapeur. Tout le dispositif énoncé précédemment est protégé par l’enceinte de confinement épaisse de 0,9 m de béton armé sur les parois. La vapeur d’eau acheminée à l’extérieur de l’enceinte met en mouvement une turbine qui transforme l’énergie mécanique en électrique avec son rotor qui tourne à 1500 tours/minute créant un courant électrique continu autour de ce rotor. C’est l’interaction du champ électrique avec le stator, partie externe de l’alternateur qui crée de l’électricité. Cette électricité correspond à l’énergie brute, celle en sortie de turbine. Après ceci, l’électricité qui est transmise par des lignes électriques ou lignes à haute tension de 250 000 Volt à 400 000 Volt correspond à l’énergie nette, diminuée de 5 % par rapport à l’énergie brute.

Enfin, dans le circuit de refroidissement, le condenseur refroidi l’eau sous forme gazeuse par de l’eau froide prélevée dans la mer ou un fleuve ou par l’eau refroidie par le courant d’air qui circule dans  une grande tour aéroréfrigérante. L’eau sous forme gazeuse retransformé en forme liquide se redirige vers le générateur de vapeur. Les 3 circuits fonctionnent de manière cyclique et sont étanches les uns par rapport aux autres. Ce modèle de centrale à une puissance électrique de 860 MW en moyenne à un taux de combustion, correspondant au rapport entre la masse du combustible et l’énergie fournie, de l‘ordre de 40 GWj/t. La  durée de vie d’une centrale nucléaire à eau pressurisée est de  40 ans, elle est le type de centrale le plus répandu avec 265 réacteurs sur 453  dans le monde, soit 60 %, parmi les 198 centrales.

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Afin d'appuyer nos propos et de les vulgariser d'une autre manière, peut-être plus accessible, nous avons pris l'initiative d'aller interviewer Madame Chau, qui a pour métier "correspondeur modification" dans une centrale nucléaire. Elle a pris le temps de répondre aux différentes questions que nous lui avons posé: 

Pour écouter la vidéo cliquer sur l'image ci-dessous:

 

C. Autres types de centrales nucléaires

Il existe d’autres types de centrale nucléaire comme le REB (réacteur à eau bouillante) qui n’a que deux circuits fermés, il en existe 92 dans le monde soit 21 %.

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  De plus, il y a le réacteur à eau lourde pressurisée qui utilise comme son  nom l’indique de l’eau lourde D2O, deux atomes de deutérium et un d’oxygène. Celle-ci est plus coûteuse mais est un meilleur modérateur que l’eau légère et dispense d’enrichir l’uranium, ce qui équilibre les coûts. Il en existait 46 en 2011. Ensuite, il y a 14 réacteurs refroidis au gaz  qui ont la particularité d’avoir un rendement thermique d’à peu près 40 % au lieu de 35 % pour les réacteurs à eau pressurisé due à des températures de fonctionnement à 640° au lieu de 325°.

 D’autre part, il y a le réacteur de grande puissance à tubes de force, qui utilise de l’uranium 235 peu enrichi: 1,8% contre 3% pour les réacteurs à eau pressurisé et la quantité de plutonium produit est plus élevée. Il en existe 11 en activité et se situent en Russie.

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 Enfin, il existe le réacteur à neutrons rapides même s’il en existe que trois dans le monde. Ce type de réacteur ne modère pas la vitesse de propagation des neutrons de 13 800 km/s pour un neutron de  1 Mev, par ailleurs il utilise le sodium pour refroidir l’eau. Ce choix a pour conséquence de réduire les chances que les neutrons fassent fissionner des atomes fissiles, cependant ils peuvent faire fissionner pas seulement les atomes fissiles mais  tous les atomes lourds. En plus, le taux de fuite des neutrons étant plus élevé, cela oblige de mettre des  matériaux fissiles en quantité suffisante en périphérie du cœur pour éviter la fuite des neutrons : c’est la surgénération.

D. Gestion des déchets

L’ANDRA (Agence Nationale pour la gestion des déchets radioactifs) est comme son nom l’indique une agence à l’échelle nationale qui a pour but de gérer les déchets radioactifs.

Les déchets radioactifs sont classés en fonction de leur durée de vie et leur niveau de radioactivité, calculée en Becquerel (Bq), correspondant au nombre de désintégration par seconde. Il existe la désintégration B- où un neutron se transforme en proton, la désintégration B+ où un proton se transforme en neutron et la désintégration a où l’atome désintégré perd deux neutrons et deux protons.

Pour commencer, il y a les déchets à vie très courte (VTC). Ils résultent des applications médicales de la radioactivité (diagnostics ou thérapies). Les radionucléides, ou isotopes instables, ayant des périodes de l’ordre du jour, leur radioactivité devient insignifiante en quelques dizaines de jours. Ces déchets sont donc recueillis et entreposés dans un local adapté pendant cette durée, puis éliminés par les circuits classiques d’élimination des déchets hospitaliers.

Ensuite, on peut mentionner les déchets à très faible activité (VTA). La radioactivité de ces déchets peut être proche de la radioactivité naturelle. Ces déchets TFA sont principalement constitués de gravats (bétons, plâtres, terres) et ferrailles (charpentes métalliques, tuyauteries) ayant été très faiblement contaminés. Les déchets TFA sont destinés à être stockés définitivement le temps que leur radioactivité diminue. Etant donné leur très faible radioactivité, le centre conçu pour les accueillir a été construit en surface. Avant de pouvoir être stockés, les déchets doivent d’abord être parfois traités, puis conditionnés selon des normes bien spécifiques. Les déchets plastiques et métalliques sont compactés pour réduire leur volume. Les déchets liquides, tels que les eaux polluées ou les boues, sont solidifiés puis stabilisés. Compte tenu de la nature de ces déchets et de leur très faible radioactivité, ils sont conditionnés dans des fûts métalliques permettant d’imperméabiliser la radioactivité.

D’autre part, il y a les déchets à faible et moyenne activité à vie courte (FMA-VC). Ces déchets sont essentiellement des matériels utilisés dans différentes activités liées aux installations nucléaires: vêtements, outils, filtres… Ces déchets caractérisés par leur vie courte sont généralement compactés, puis conditionnés dans un fût en métal ou en béton avant de pouvoir être stockés dans un centre adapté à leur nature. Les déchets FMA-VC sont destinés à être stockés définitivement dans des centres industriels adaptés. Ces déchets ne contenant qu'une faible quantité de substances à vie longue, les centres conçus pour les accueillir sont construits en surface. Ils sont compactés avant d'être enrobés dans du béton. Un colis de déchets FMA-VC est ainsi composé de 15 à 20 % de déchets radioactifs et de 80 à 85 % d’enrobage.

De plus, il existe les déchets de faible activité à vie longue (FA-VL). Ces déchets dits "radifères" doivent leur nom au radium qu’ils contiennent. Ils proviennent essentiellement du traitement de différents minéraux comme le zircon ou le minerai d’uranium. Les industriels extraient de ces minéraux les terres rares utilisées pour la fabrication de composants électroniques ou dans la métallurgie fine. Certains de ces déchets proviennent également de l'assainissement d'anciens sites pollués par la radioactivité. Il existe d’autres déchets tels que d’anciens objets radioactifs fabriqués dans l’entre-deux guerres: fontaines au radium, montres…Depuis quelques années, l’ANDRA étudie la possibilité de construire un centre de stockage à faible profondeur pour les déchets FA-VL. En attendant sa création, les déchets FA-VL sont entreposés de manière sûre dans des installations spécifiques, sur leur site de production.

D’autre part, il y a les déchets à moyenne activité à vie longue (MA-VL) qui sont principalement produits par l’industrie électronucléaire. En effet, les combustibles utilisés dans les réacteurs nucléaires actuels sont composés d’un assemblage d’uranium parfois associé à du plutonium. Au fil du temps, ces combustibles deviennent moins performants. Ils sont alors traités, principalement à l’usine AREVA de La Hague, afin de récupérer les matières pouvant être recyclées. Au cours de cette étape, les structures métalliques entourant ces combustibles sont cisaillées en petits tronçons. Les déchets de MA-VL sont majoritairement constitués par ces objets métalliques (gaines, coques, embouts). Ils sont également constitués des résidus comme déchets issus du traitement des effluents ou des équipements. Ils sont liés au fonctionnement ou à la maintenance d’installations nucléaires ainsi qu'à la fabrication de certains combustibles nucléaires. Les déchets MA-VL sont destinés à être stockés définitivement dans un centre adapté. Compte tenu de leur longue durée de vie, de quelques milliers à quelques centaines de milliers d’années, et de leur niveau de radioactivité, ces déchets devront être stockés dans un centre. La France entreprend le projet Cigéo pour remédier à cette obligation. Ce projet consiste à enfouir dans une couche d'argile située à environ 500 mètres de profondeur. En attendant la mise en place du projet Cigéo, ils sont entreposés de manière sûre dans des installations spécifiques, sur leur site de production.

Enfin, les déchets les plus dangereux sont ceux à haute activité (HA) en provenance, pour la plupart, de l’industrie électronucléaire. Ils correspondent essentiellement aux résidus non réutilisables et hautement radioactifs issus du traitement des combustibles utilisés dans les centrales nucléaires, environ 5 % du combustible usé. Il s’agit  donc des résidus de la combustion nucléaire de l'uranium et du plutonium. Leur durée de vie est respectivement à peu près 700 millions d’années et 24 000 ans. Leur niveau de radioactivité et leur longue durée de vie amènent aujourd’hui les chercheurs et les industriels à conserver ces déchets de la même manière que les déchets à MA-VL. Les combustibles utilisés dans les réacteurs nucléaires étant les mêmes que ces à MA-VL, ils sont traités de la même manière. L’estimation des coûts de gestion de ces déchets est de 25 milliards par Ségolène Royal, ancienne ministre de l’environnement.

https://www.asn.fr/var/asn/storage/images/media/images/divers/tableau-de-classification-usuelle-des-dechets-radioactifs/393948-3-fre-FR/Tableau-de-classification-usuelle-des-dechets-radioactifs.jpg

 

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E. Catastrophes 

Plusieurs pays utilisant l’énergie nucléaire dont le Royaume-Uni, la Suisse, la Belgique, la France, l’ex-URSS, Pays-Bas, les Etats-Unis, ont intentionnellement déposés des déchets nucléaires en Atlantique Nord-Est avec près de  42 301 TBq et en  Arctique avec près de 37 998 TBq de 1946 à 1991

De plus, plusieurs catastrophes incontrôlées ont eu lieu :

_complexe nucléaire Maïak (Russie) catastrophe nucléaire de Kychtym: 29 Septembre 1957, le système de refroidissement d’un des réservoirs de 70 à 80 t de déchets nucléaires tombe en panne. Ensuite, l’augmentation de la température provoque une explosion chimique des déchets. Les retombées radioactives provoquent une contamination à long terme d'une région dont la superficie est de 800 km2.

_site nucléaire de Windscale (Royaume-Uni): 10 octobre1957, lors d’une opération d’entretien, des produits de la fission d’un réacteur à uranium sont libérés dans l’atmosphère.

_Centrale nucléaire expérimentale de Lucens (Suisse): 21 Janvier 1969, la corrosion des gaines de protection des combustibles par de l’eau infiltrée aurait entraîné la fusion des barres de métaux surchauffées causant une double explosion dans le réacteur, donc une fuite radioactive.

_centrale nucléaire de Three Mile Island (Pennsylvanie):28 Mars 1979, les pompes de refroidissement du réacteur tombent en panne, permettant la surchauffe du cœur du réacteur qui fond de plus de moitié. Une fuite d’air radioactif est provoquée volontairement dans l’atmosphère pour faire diminuer la pression à l’intérieur du réacteur.

_centrale nucléaire de Tchernobyl (Ukraine): 26 Avril 1986, la puissance d’un des réacteurs augmente de manière incontrôlée causant la fusion du cœur du réacteur, qui explose, libérant d’énormes quantités d’éléments radioactifs dans l’air. Les estimations du nombre de décès lié à cette catastrophe vont de 9 000 à 90 000.

_centrale nucléaire de Fukushima (Japon): 11 Mars 2011, un tremblement de terre de magnitude 9 puis un tsunami font tomber en panne plusieurs groupes électrogènes de la centrale nucléaire de Fukushima au Japon. Une série de défaillances humaines et techniques entraîne l’arrêt des systèmes de refroidissement de plusieurs réacteurs et des piscines de désactivation des combustibles irradiés. D’importants rejets radioactifs sont émis dans l’atmosphère.

 Ces catastrophes sont classifiées en fonction de l’ampleur :

 

 

 

INES

Incidence hors site

Incidence sur site

Dégradation de la défense en profondeur

Accident majeur

7

Rejet majeur : effet étendu sur la santé et l'environnement.

   

Accident grave

6

Rejet important susceptible d'exiger l'application intégrale des contre-mesures prévues.

   

Accident (entraînant un risque hors du site)

5

Rejet limité susceptible d'exiger l'application partielle des contre-mesures prévues.

Endommagement grave du réacteur ou des barrières radiologiques.

 

Accident (n'entraînant pas de risque important à l'extérieur du site)

4

Rejet mineur : exposition du public de l'ordre des limites prescrites.

Endommagement important du réacteur ou des barrières radiologiques, ou exposition létale d'un travailleur.

Perte des défenses et contamination

Incident grave

3

Très faible rejet : exposition du public représentant une fraction des limites prescrites.

Contamination grave ou effets aigus sur la santé d'un travailleur.

Accident évité de peu. Perte des lignes de défense.

Incident

2

pas de conséquence

Contamination importante ou surexposition d'un travailleur.

Incident assorti de défaillance importante des dispositions de sûreté.

Anomalie

1

 

pas de conséquence

Anomalie sortant du régime de fonctionnement autorisé.

Écart

0

   

Anomalie sans importance du point de vue de la sûreté.

 

 

2. Son avenir

F. Démantèlement

Pour deux raisons, le marché du démantèlement des centrales est prometteur, en premier lieu, les centrales nucléaires atteignent leur fin de vie car leur essor date du plus de 60 ans et en second lieu, le mix énergétique est privilégié pour des raisons écologiques.

Cependant, à l’image de la centrale de Fessenheim un démantèlement fait face à plusieurs écueils. Tout d’abord, celui-ci sous-entend la suppression de plusieurs postes et de bénéfices. Par exemple, pour Fessenheim, 2 000 postes directs ou indirects sont liés à la centrale ainsi que des retombées fiscales à hauteur de 14,3 millions €/an. De plus, un démantèlement est couteux, EDF fait des estimations très optimistes de 60,5 milliards € pour 58 réacteurs français en intégrant la gestion des déchets. Ajouté à ceci, la durée de ces démantèlements: 20 ans pour la centrale de Fessenheim.

Souvent, lorsque des centrales sont mises hors service, la cause principale et écologique. Cette idée est à nuancer car sur 453 réacteurs en activité, 57 nouveaux sont en construction et 166 en cours de démantèlement (en 2018), en partie car ils ont atteint leur espérance de vie car l’âge moyen des réacteurs nucléaires dans le monde est de 40 ans.