L’Energie nucléaire a-t-elle un avenir ?

H.Nifenecker

 

Q. : L’avenir de l’humanité sera largement conditionné par la manière qu’elle choisira pour faire face à ses besoins en énergie.   Ces besoins doivent ils croître inexorablement ou la consommation énergétique peut-elle être réduite ?

R : Même si les pays développés arrivaient à limiter leur consommation, trop souvent leur gaspillage énergétique, la consommation mondiale d’énergie devrait croître de manière importante d’ici à 2050 du fait de l’accroissement de la population mondiale, d’une part, et de l’augmentation du niveau de vie des pays en voie de développement, en particulier de la Chine et de l’Inde, d’autre part. La consommation énergétique par habitant de la Chine atteint à peine le dixième de celle de l’Europe, et le trentième de celle des USA. Les économistes essaient de prévoir l’évolution de la consommation énergétique dans le futur. Les prévisions faites par le Conseil Mondial de l’Energie (CME) sont représentatives de ces projections. Comparons la consommation énergétique en 2000 aux prévisions du CME pour 2050. Pourquoi 2050. Parce que c’est un horizon suffisamment lointain pour que des évolutions importantes sur la structure de la consommation énergétique aussi bien que sur la nature des techniques utilisées pour la satisfaire puissent avoir lieu, mais suffisamment proche pour être assuré qu’aucune technique révolutionnaire inconnue actuellement n’ait eu le temps de se déployer largement, compte tenu de la grande inertie des systèmes de production électrique.

En 2000 nous consommions un peu moins de 11 Milliards de tonnes équivalent pétrole (Tep). C’est la quantité de pétrole qu’il faudrait brûler pour faire face à tous nos besoins, aussi bien pour les transports, le chauffage, que la production d’électricité.   Le CME a envisagé, entre autres,  deux  types de scénarios :

·       Un scénario  appelé  qui suppose une croissance soutenue de la richesse mondiale au rythme annuel de 2,6% sans effort exceptionnel dans le domaine des économies d’énergie.

·       Un scénario  caractérisé par une croissance plus faible de 2,1% par an et, surtout, un effort délibéré d’économie d’énergie.

Les deux scénarios supposent que la population mondiale passerait de 6,2 milliards en 2000 à 10 milliards en 2050.  Dans ces conditions, en 2050, la consommation d’énergie pourrait atteindre  25 milliards de Tep (GTep) pour   le premier scénario  et 14   GTep pour le second.

Q. : Comment sera-t-il possible de faire face à cette augmentation de la consommation mondiale d’énergie ?

R. : Actuellement plus des trois quarts de notre consommation d’énergie sont assurés par les combustibles fossiles, 25% par le charbon, 35% par le pétrole et 20% par le gaz. Les énergies nucléaires et hydrauliques assurent environ 5% de la consommation chacune, le solde (environ 10%) étant fourni par la biomasse, essentiellement sous forme de bois de chauffe dans les pays en voie de développement. En termes absolus nous consommons chaque année 2,3 GTep de charbon, 3,5 GTep de pétrole et 2 GTep de gaz. Au rythme actuel de consommation les réserves reconnues dureraient 220 ans pour le charbon, 40 ans pour le pétrole et 65 ans pour le gaz. Les réserves de Charbon se trouvent surtout en Chine, en Inde et aux USA. Comme elles sont considérables la tendance naturelle serait donc de continuer à utiliser le Charbon intensivement. C’est l’hypothèse qui est faite dans le premier scénarios du CME que nous désignerons comme le scénario A. En 2050, selon ce scénario, nous aurons consommé  275 GTep de charbon alors que les réserves actuelles sont estimées à 540 GTep. Les chiffres correspondants sont 260 GTep et 150 GTep pour le pétrole et 210 GTep et 130 GTep pour le gaz. On voit donc que si les réserves de pétrole et de gaz sont bien celles estimées actuellement elles seront épuisées bien avant 2050. Toutefois la valeur des estimations de réserves sont l’objet de nombreuses et animées controverses. Les économistes constatent que les réserves de pétrole sont de 40 ans depuis 40 ans ! Pour une part cette paradoxale invariance serait due au fait que les compagnies pétrolières ralentissent leurs efforts de prospection lorsque les réserves reconnues leur paraissent suffisantes. Pour une autre part elle serait due aux améliorations apportées aux techniques d’extraction du pétrole, en particulier l’augmentation des taux de récupération. Les géologues, au contraire, constatent que le nombre de grands gisements découverts chaque année décroît depuis plusieurs années et que les réserves correspondantes sont inférieures à notre consommation annuelle. Ils prédisent la fin du pétrole « bon marché » dès 2010-2015.  Pour le pétrole comme pour le gaz il existe ce qu’on appelle des réserves non-conventionnelles : schistes bitumineux et sables pétrolifères d’une part, hydrates de méthane d’autre part. Les réserves correspondantes seraient considérables, plusieurs fois plus grandes que les conventionnelles. Mais les coûts d’extraction et environnementaux seraient, eux aussi, importants.

En conclusion on voit que si nous ne sommes probablement pas menacés d’une pénurie de combustibles fossiles d’ici 2050, leur coût augmentera sans doute de façon notable, tout particulièrement en ce qui concerne le pétrole et le gaz.

Q. : L’utilisation sans contrainte des combustibles fossiles ne risque-t-elle pas d’avoir de graves conséquences environnementales ?

La conséquence environnementale la plus grave, et la plus difficile à combattre de l’utilisation des combustibles fossiles est l’émission de gaz carbonique. Du fait des émissions dues aux activités humaines la concentration du gaz carbonique dans l’atmosphère est déjà 50% plus élevée qu’elle ne l’était avant le développement industriel. Chaque année nous émettons 24 milliards de tonnes de gaz carbonique. 12 milliards sont absorbés par les océans et les 12 autres milliards restent dans l’atmosphère. L’atmosphère contient actuellement 2750 milliards tonnes de gaz carbonique. On voit  qu’au rythme actuel des émissions ce contenu passerait à près de 4000 milliards tonnes en 2100, soit près du double de ce qu’il était à l’ère préindustrielle. Malheureusement nos émissions continuent à augmenter et le scénario A prévoit des émissions atteignant 55 milliards de tonnes en 2050 ! Que fera alors l’océan ? Continuera-t-il à absorber 50% de nos émissions ? Il semble bien que non. Au contraire, certains climatologues envisagent que l’océan se transforme de puits en source de gaz carbonique. Il serait alors possible que la concentration de gaz carbonique dans l’atmosphère quadruple d’ici la fin du siècle. Dans ces conditions les modèles climatiques prévoient que  la température moyenne du globe pourrait augmenter de plus  de 5 degrés  en 2100 et qu’elle continuerait à augmenter au delà. Rappelons que la température actuelle n’est que quatre degrés supérieure à celles des époques glaciaires. Une  augmentation rapide de 5 degrés ou plus ne pourrait qu’avoir des conséquences catastrophiques. Par exemple, le réchauffement étant particulièrement  élevé aux grandes latitudes il est possible que les gigantesques quantités de méthane prisonnières du Permafrost soient relâchées, ce qui donnerait un véritable coup de chaleur supplémentaire à la planète. Le principe de précaution exige que nous réduisions aussi vite que possible notre consommation de combustibles fossiles.

Q. : Si nous ne pouvons réduire suffisamment notre consommation d’énergie, il nous faut donc utiliser d’autres  sources d’énergie que les combustibles fossiles, mais lesquelles et est ce réaliste ?

Remarquons tout d’abord que les émissions de gaz carbonique par un pays donné sont le produit de trois facteurs : le nombre d’habitants, la consommation d’énergie par habitant et la quantité  de gaz  carbonique émise par unité d’énergie consommée. Nous avons évoqué les deux premiers facteurs. Pour ce qui est du dernier la comparaison des émissions de pays ayant des niveaux de vie comparable est particulièrement éclairante. C’est ainsi qu’à énergie consommée égale le Danemark émet deux fois plus de gaz carbonique que la Suède. La  raison de cette différence est que le Danemark produit 90% de son électricité avec du charbon, alors que la Suède la produit pour une moitié grâce au nucléaire et, pour l’autre moitié par l’hydroélectricité. La France fait un peu moins bien que la Suède, car cette dernière utilise  davantage le chauffage électrique ou au bois. Si les pays développés avaient tous eu une politique analogue à celle de la France ou de la Suède les émissions de gaz carbonique seraient de 30% inférieures à ce qu’elles sont actuellement. Au plan mondial, la consommation d’énergie primaire   est due pour 35% à la production d’électricité, 30% aux besoins de chaleur industrielle, 20% aux transports et 15% aux besoins de chauffage des locaux.  S’il est vrai que les émissions de gaz carbonique  par le secteur des transports sont celles qui augmentent le plus vite, c’est aussi  dans ce secteur qu’il semble le plus difficile de lutter contre la tendance à l’augmentation  en l’absence d’une technologie compétitive pouvant remplacer le moteur à explosion à combustible fossile. Au contraire, comme vu plus haut, les techniques pour produire de l’électricité sans recourir aux combustibles fossiles existent à grande échelle et sont compétitives : ce sont l’hydroélectricité et les réacteurs nucléaires. Depuis peu les éoliennes ont le vent en poupe ! Pourraient-elles contribuer massivement à la production d’électricité ? L’exemple danois est, là encore, éclairant : En 1999 le Danemark disposait d’une puissance installée de 2 milliards de Watts d’éoliennes. Il produisit ainsi 3,7 milliards de kWh dans cette même année. Ce chiffre montre, qu’en moyenne, les éoliennes ne fonctionnent que 20% du temps. Le reste du temps l’électricité doit être fournie par une autre source. Au Danemark elle l’est par des centrales à charbon, en attendant des centrales à gaz. Les éoliennes contribuent donc à la réduction des émissions de gaz carbonique. En France elles contribueraient plutôt à réduire légèrement la production de déchets nucléaires, mais très peu  celle de gaz carbonique ; on peut même penser qu’elles l’augmenteraient indirectement en poussant à la mise en oeuvre de turbines à gaz comme moyens d’appoint. Malgré l’effort considérable fait par le Danemark, qui, transposé à l’échelle de la France, correspondrait à la mise en oeuvre de 20000 éoliennes de 1 million de Watts, la contribution de l’énergie éolienne à la production d’électricité n’était  que de 8% en 1999. Le caractère intermittent de l’électricité produite par les éoliennes limite donc de manière drastique leur capacité de remplacer les centrales thermiques. L’énergie électrique   obtenue par l’effet photovoltaïque  souffre de la même carence quoiqu’à un moindre degré. Surtout l’électricité photovoltaïque reste  extrêmement chère, dix fois plus que celle obtenue avec des combustibles fossiles ou nucléaires. Elle présente, par contre, un grand intérêt là où il n’existe pas de réseau de distribution d’électricité, comme dans de nombreux pays africains. Parmi les énergies renouvelables, donc,  seuls les barrages semblent encore capables de fournir les quantités massives d’électricité réclamées par les grandes concentrations urbaines, particulièrement en Asie et en Amérique du Sud. Dans les pays développés les ressources encore disponibles en hydroélectricité sont faibles. Les grands barrages ne sont pas sans incidence sur l’environnement. De plus, ils supposent des déplacements de population parfois massifs comme dans le cas de l’immense barrage des Trois Gorges, en Chine. De plus les ruptures de barrage sont relativement fréquentes et peuvent être extrêmement coûteuses en vies humaines. En définitive on ne voit pas comment l’humanité pourrait satisfaire ses besoins en énergie, et, particulièrement en électricité, tout en limitant sérieusement les émissions de gaz carbonique sans recourir de façon massive à l’énergie nucléaire. Reprenant le scénario A,  supposons que l’énergie nucléaire soit utilisée pour remplacer le charbon et le gaz en 2050. Les rejets de gaz carbonique seraient alors limités à  20 milliards de tonnes à comparer aux prévisions de 55 milliards de tonnes citées plus haut et aux 24 milliards de tonnes actuels. En poursuivant la réduction des émissions par le recours à des transports électriques ou utilisant de l’hydrogène comme carburant on peut alors envisager de limiter l’augmentation de température à environ 2 degrés. Pour obtenir un tel résultat la quantité d’électricité d’origine nucléaire devrait être multipliée par environ 20, mais seulement par un  2 dans un pays comme la France qui est déjà largement entrée dans l’ère nucléaire.

Q. : Un tel déploiement de l’énergie nucléaire est-il compatible avec les réserves d’Uranium ?

Pour répondre à cette question il faut rappeler que le seul noyau fissile trouvé dans la nature est l’Uranium 235. C’est lui qui fournit l’essentiel de l’énergie dans les réacteurs actuels. Un réacteur type de 1 Milliard de Watts électriques (1 GWe) en consomme environ 700 kg par an.  Environ 300 kg se retrouvent dans le combustible usé. On voit donc que pour faire fonctionner un tel réacteur  on doit utiliser une tonne d’Uranium 235. Dans l’Uranium extrait des mines, l’Uranium  235 n’est présent qu’en petite proportion, 0.7%.  Un autre « isotope », l’Uranium 238 représente plus de 99,2% de l’Uranium « naturel ». En tenant compte des diverses pertes de procédés, on trouve qu’il faut extraire 200 tonnes d’Uranium par année de fonctionnement d’un réacteur type. Les besoins mondiaux actuels en Uranium se montent à environ 70000 tonnes. Ils se monteraient, en utilisant les technologies actuelles, à 1 million  quatre cent mille tonnes si le parc de réacteurs était multiplié par 20. L’estimation des réserves est sujette à de nombreuses incertitudes. Elles dépendent de manière sensible du prix de l’Uranium et de l’effort de prospection. De nos jours, du fait d’une surproduction, le prix de l’Uranium est très bas et la prospection pratiquement abandonnée depuis longtemps. Au prix actuel, les réserves sont estimées à environ 4 millions de tonnes.   En acceptant un prix deux fois plus élevé, l’OCDE a estimé que les réserves envisageables pourraient atteindre 16 millions de tonnes. Dans tous les cas ces réserves ne seraient pas à la hauteur du parc envisagé. On a proposé et démontré la faisabilité d’extraire l’Uranium de l’eau de mer. En effet 3 milliards de tonnes d’Uranium sont dissous dans les Océans. Pour  en extraire 200 tonnes annuellement il faudrait des bassins d’extraction occupant environ 10 km de côtes. L’extraction se fait grâce à de l’hydroxyde de titane. On estime que le coût de l’Uranium ainsi obtenu serait 10 fois plus élevé qu’à présent. Un tel surcoût ne se traduirait, toutefois, que par une augmentation de 50% du kWh nucléaire, du fait de la faible contribution de l’Uranium au prix de l’électricité nucléaire. Mais peut-on envisager d’équiper plus de 70000 km de côtes pour pourvoir aux besoins cités ci-dessus ? De plus, en l’absence de retraitement, les besoins en stockage des combustibles irradiés supposeraient la mise en service d’un site profond tous les deux ans. 

Q. : Sommes nous donc dans une impasse totale ?

Certes non. Le défi est d’utiliser beaucoup mieux que nous ne le faisons l’Uranium et, même, le Thorium. Il s’agit de transformer l’Uranium 238 et le Thorium 232, noyaux fertiles qui ne sont que très faiblement fissiles, en noyaux qui le sont fortement. Notre bonne mère nature nous en donne le moyen. Par capture d’un neutron et perte de deux électrons, l’Uranium 238 se transforme en Plutonium 239, un noyau fortement fissile. De même le Thorium 232, quatre fois plus abondant que l’Uranium dans la nature, se transforme en Uranium 233.  Il est donc nécessaire de disposer de suffisamment de neutrons pour assurer cette transformation des noyaux fertiles en noyaux fissiles. Heureuse circonstance, la fission des noyaux fissiles s’accompagne de l’émission de neutrons ! Mais ces neutrons ne sont pas tous disponibles pour assurer la transformation magique. Il en faut d’abord au moins un pour que la réaction de fission puisse s’entretenir puisque la fission des noyaux fissiles est provoquée, elle-même, par l’absorption d’un neutron.  Il y a, également, des neutrons qui sont capturés dans les noyaux fissiles sans donner lieu à fission. Ainsi il faut plus de deux neutrons par fission pour pouvoir remplacer le noyau disparu par fission par un nouveau noyau fissile issu d’une noyau fertile. En réalité d’autres captures stériles et des pertes de neutrons sont inévitables ; on trouve qu’il faut au moins 2,3 neutrons ré-émis après capture d’un neutron dans un noyau fissile pour que la « régénération » des noyaux fissiles soit assurée. Ce nombre de neutrons ré-émis dépend à la fois de la nature du noyau fissile  et de la vitesse du neutron absorbé. C’est ainsi que seules trois combinaisons permettent la régénération :

1.    des neutrons rapides produisant la fission du Plutonium 239, l’Uranium 238 étant le noyau fertile

2.    des neutrons rapides produisant la fission de l’Uranium 233, le Thorium 232 étant le noyau fertile

3.    des neutrons lents produisant la fission de l’Uranium 233, le Thorium 232 étant le noyau fertile

Il est intéressant, non seulement de régénérer les noyaux fissiles, mais de produire plus de tels noyaux qu’il n’en disparaît. Ceci permet, en effet, de faire croître le nombre de réacteurs. On dit qu’il y a alors surgénération. Le niveau de surgénération se mesure par le temps de doublement du nombre de réacteurs surgénérateurs.  Les trois combinaisons ont des temps de doublement différents : La combinaison 1 donne un temps de doublement minimum de 20 ans,

la combinaison 2 de 40 ans et la combinaison 3 de 25 ans. Pratiquement, seules les combinaisons 1 et 3 sont considérées comme intéressantes.

Les neutrons produits lors de la fission sont rapides. Ils peuvent être ralentis lors de collision avec des noyaux légers comme l’Hydrogène ou le Carbone. En particulier, l’utilisation d’eau comme fluide caloporteur, extrayant la chaleur produite par les fissions dans le cœur du réacteur, ralentit les neutrons. La combinaison 1 doit donc éviter d’utiliser un caloporteur comportant trop de noyaux légers. C’est pourquoi un réacteur surgénérateur comme Super Phenix utilisait le Sodium fondu comme caloporteur. Le Sodium a beaucoup de qualités aussi bien neutroniques que thermodynamiques, mais il prend feu spontanément à l’air et explose au contact de l’eau. Il s’ensuit que des mesures draconiennes, et donc coûteuses, sont nécessaires pour éviter que ne se déclenche un feu de Sodium. C’est pourquoi des recherches sont en cours pour remplacer le Sodium par un autre caloporteur, par exemple le Plomb fondu ou un gaz.

La combinaison 3 demande, au contraire, que les neutrons soient ralentis tout en limitant le plus possible les captures parasites. La solution la plus prometteuse s’inspire d’un prototype qui a fonctionné aux USA dans les années 60. Il s’agit d’un réacteur où le combustible est un mélange liquide de fluorures. Le combustible circule à travers des échangeurs de température. Il est soumis en ligne à un traitement chimique simple qui permet de limiter la présence de noyaux produits par la fission et capturant les neutrons. 

Une autre solution, plus simple à mettre en oeuvre mais moins efficace serait l’utilisation de réacteurs refroidis avec de l’eau lourde comme ceux développés par les Canadiens.

On a pu  montrer que  l’utilisation des combinaisons 1 ou 3 permettrait le développement d’un parc mondial de 9000 réacteurs dès 2050, et donc de limiter l’augmentation de la température globale à moins de deux degrés. Toutefois ce développement ne sera possible que si les décisions de redémarrage de la production d’énergie nucléaire et de mise en oeuvre d’un programme de construction de surgénérateurs sont prises rapidement. Il faudrait, en particulier, un parc de 3000 réacteurs du type actuel soient construit d’ici 2030 et que le Plutonium produit dans ces réacteurs soit utilisé comme première charge des réacteurs surgénérateurs.

Q. :  Mais alors que faire des déchets radioactifs ?

Pour répondre à cette question il faut d’abord examiner ce que sont les déchets produits par les réacteurs nucléaires. Toute fission produit à la fois de l’énergie, des neutrons et deux produits de fission. Ces derniers sont des noyaux plus riches en neutrons que les noyaux stables. Pour devenir stables il leur faut donc transformer leurs neutrons en protons en émettant des électrons, ou rayons bêta. On dit donc que les produits de fission sont radioactifs bêta. Plusieurs désintégrations bêtas successives sont, en général, nécessaires pour arriver à des noyaux stables. Dans la plupart des cas ce processus d’évolution vers la stabilité est assez court, sa durée étant de l’ordre de quelques jours, au plus de l’ordre de l’année. Cependant, dans certains cas, la dernière étape peut être beaucoup plus longue.  On distingue alors les produits de fission à durée de vie moyenne, supérieure à un an et inférieure à 100 ans, et les produits de fission à longue durée de vie. Parmi les produits de fission à durée de vie moyenne les principaux sont le Césium 137 et le Strontium 90. Un réacteur typique produit annuellement 30 kg du premier et 13 kg du second. Les durées de vie de ces deux noyaux  valent environ 30 ans.  Les produits de fission à longue durée de vie sont produits à raison de  65 kg par an et par réacteur. Leurs durées de vie s’étagent entre 70000 ans pour le Sélénium 79 et 15 millions d’années pour l’Iode 129. Tous ces produits de fission sont radioactifs bêta, donc relativement peu radio toxiques (la radio toxicité est une mesure de l’effet biologique de l’absorption du corps radioactif par l’organisme humain), et d’autant moins que leur durée de vie est longue. Il est, en effet, important de noter que, à poids égal et nature chimique équivalente, les radio nucléides sont d’autant moins dangereux que leur durée de vie  est grande. Ce comportement est très différent de celui des toxiques chimiques dont la toxicité est indépendante du temps. Par exemple l’Iode 131 de durée de vie égale à huit jours, responsable des cancers de la thyroïde consécutifs à la catastrophe de Tchernobyl est environ un milliard de fois plus radio toxique que l’Iode 129.

Les neutrons produits au moment de la fission peuvent aussi être capturés par des noyaux lourds, au premier rang desquels l’Uranium 238. Nous avons vu que c’est ainsi que se forme le Plutonium 239. Par absorption d’un neutron le Plutonium 239 peut soit fissionner, soit produire du Plutonium 240. Par captures successives et désintégrations bêta on obtient ainsi toute une panoplie de noyaux lourds appelés « transuraniens », parce que plus lourds que l’Uranium.  La quantité de transuraniens produite chaque année dépend beaucoup du type de réacteur. Les réacteurs refroidis à l’eau qui sont les plus utilisés dans le monde produisent environ 270 kg de Plutonium, et dix fois moins d’Américium et Curium qu’on désigne sous le terme générique d’Actinides Mineurs. Le Plutonium et les Actinides Mineurs sont des corps radioactifs alpha qui dégagent beaucoup de chaleur, sont  beaucoup plus radio toxiques que les noyaux radioactifs bêta et ont des durées de vie pouvant atteindre 24000 ans pour le Plutonium 239.

Actuellement, donc, un réacteur à eau pressurisée (REP) d’une puissance électrique typique de 1 GWe produit annuellement environ 30 tonnes de combustibles  irradiés contenant un peu moins de 29 tonnes d’Uranium 238, 130 kg de produits de fission de moyenne et longue durée de vie, 270 kg de Plutonium et 30 kg d’Actinides Mineurs.

Q : Que peut-on  faire de ces déchets ?

Dans la plupart des pays, y compris les USA, on envisage d’enfouir ces combustibles irradiés dans des sites de stockage profonds. Dans ces sites les combustibles seront soumis à une corrosion plus ou moins rapide selon qu’ils seront ou non protégés par des enveloppes. Ainsi, les USA qui envisagent de mettre les combustibles irradiés dans de simples containers en acier, estiment que la corrosion du combustible proprement dit pourrait commencer dans dix mille ans. Les Suédois qui prévoient des containers beaucoup plus massifs en Cuivre estiment, de leur côté, que la corrosion ne commencerait que dans un million d’années. La corrosion sera due à l’eau qui se trouvera au contact des combustibles. Pour la ralentir au maximum  il faut donc réduire le plus possible la présence d’eau au contact des combustibles. Trois configurations géologiques semblent avoir des caractéristiques satisfaisantes : les dômes de sel, le granit peu fissuré et l’argile compacte.  Ces configurations ont chacune leurs avantages et leurs inconvénients, mais il est possible de donner quelques conclusions générales aux études qui ont été menées :

·       Le Plutonium et les Actinides Mineurs se dissolvent très difficilement dans l’eau et ont des temps de transports extrêmement longs. Sauf accident, comme une intrusion volontaire de l’homme dans le site de stockage, il semble pratiquement impossible que ces noyaux lourds puissent remonter dans la biosphère avant qu’ils ne se soient désintégrés.

·       La durée de vie des isotopes de l’Uranium (238 et 235) est si longue qu’ils retourneront tôt ou tard à la biosphère, mais avec les mêmes propriétés que le minerai dont ils ont été extraits

·       Parmi les produits de fission, l’Iode 129 devrait se retrouver dans la biosphère au bout de quelques centaines de milliers d’années au minimum, quelques millions d’années au maximum. La dose additionnelle que pourraient alors recevoir les populations les plus exposées (celles qui ne boiraient que l’eau de la nappe phréatique contaminée)  devrait être largement inférieure au dixième du niveau de la radioactivité naturelle moyenne, limite imposée par les autorités de sûreté pour tout projet de stockage souterrain.

·       La principale incertitude est la réponse du milieu de stockage au dégagement de chaleur par les combustibles irradiés. Ce dégagement est dominé pendant les cent premières années par le Césium 137 puis par le Plutonium et les Actinides Mineurs. La dimension du site de stockage est donc déterminée par la quantité de ces éléments à stocker.

·       Des évènements ponctuels tels que tremblement de terre et formation de failles localisées ne modifient pas significativement ces conclusions. Seule une éruption volcanique au droit du site de stockage pourrait introduire une part notable des déchets encore actifs dans la biosphère. Il semble tout à fait possible de choisir des sites qui offrent une grande sûreté à cet égard à l’horizon du million d’années. Au delà la radioactivité résiduelle serait faible et dominée par celle de l’Iode 129.

·       Même les scénarios les plus catastrophiques ne conduisent pas à un danger global pour la biosphère

La faible mobilité des actinides (Uranium et transuraniens) trouve une confirmation dans l’examen du site de réacteurs fossiles d’Oklo. En effet un ensemble de réacteurs naturels a fonctionné il y a plus de 2 milliards d’années, à plus de trois mille mètres de profondeur, pendant plusieurs millions d’années. A l’époque, le contenu en Uranium 235 de l’Uranium naturel était 5 fois plus grand qu’actuellement, ce qui permit le fonctionnement de réacteurs dans des dépôts riches en Uranium et en présence d’eau. Des éléments comme le Plutonium ne sont évidemment plus présents actuellement mais leurs descendants par radioactivité, des isotopes d’Uranium ou de Plomb le sont encore. C’est ainsi qu’on a pu constater que le Plutonium n’avait pratiquement pas migré pendant sa durée de vie.

Les sites de stockage actuellement étudiés pourraient accueillir environ 100000 tonnes de combustibles irradiés chacun, pour des surfaces de l’ordre de quelques km2. Dans le monde les réacteurs produisent 15000 tonnes de combustibles irradiés chaque année. Le stock de combustibles usés dans les pays de l’OCDE dépasse 100000 tonnes. La pratique française actuelle de retraitement des combustibles usés ne modifie pas de façon importante ce panorama.  On voit qu’au rythme actuel, un peu plus de un site de stockage devrait être mis en fonction tous les dix ans. En l’absence de trop fortes oppositions des populations une telle cadence ne semble pas impossible à soutenir.

Q : Cela restera-t-il vrai pour une production d’énergie nucléaire beaucoup plus élevée ?

Comme nous l’avons aussi signalé, il est fort probable qu’une telle augmentation ne pourra se faire qu’à l’aide de réacteurs surgénérateurs. Dans ce cas le paysage change considérablement, et dans le bon sens ! Dans le cas du cycle Uranium-Plutonium aussi bien l’Uranium que le Plutonium doivent être récupérés et utilisés. Seules les pertes au retraitement, de l’ordre du pour mille, se retrouvent dans les déchets. Le tonnage de déchets de haute activité et longue durée de vie par réacteur-an passe de 30 tonnes à moins de 200 kg, essentiellement des produits de fission et une petite fraction d’actinides mineurs. Les déchets peuvent être conditionnés sous des formes très stables. Même si l’on ne peut exclure la nécessité de sites de stockage en profondeur leur nombre devrait être notablement inférieur à celui requis par le parc actuel. Dans le cas du cycle Thorium-Uranium, la situation est encore plus favorable car la production d’actinides mineurs deviendrait négligeable. Le problème principal deviendrait alors celui de l’Iode qui limiterait sans doute la capacité de stockage des sites individuels. Une possibilité offerte par le bilan neutronique favorable de surgénérateurs serait de transmuter l’Iode 129 en un noyau stable, le Xénon 130, par capture d’un neutron suivi d’une désintégration bêta. Ajoutons que les besoins en Uranium naturel ou en Thorium seraient, par réacteur, cent fois plus faibles que pour les réacteurs actuels, soit, pour un parc dix fois plus important, un facteur dix plus faible que les besoins actuels. Cela réduirait d’autant la production de stériles de mine, faiblement radioactifs, mais dont le volume pose problème dès à présent.

Q. :  Si le nombre de réacteurs est multiplié par plus de dix, ne risque-t-on pas de connaître un Tchernobyl par an ?

Il faut d’abord rappeler que les réacteurs utilisés ailleurs que dans l’ex URSS sont tous d’un type différent de celui de Tchernobyl, aucun de ces types ne présentant de caractéristiques aussi critiquables sur le plan de la sûreté. L’accident le plus sérieux dû à un réacteur utilisé dans les pays de l’OCDE a été celui de Three Mile Island (TMI) qui donna lieu à une fusion du cœur du réacteur et à une explosion « hydrogène » sans qu’aucun relâchement de radioactivité significatif n’ait eu lieu à l’extérieur de l’enceinte de confinement.

Ceci étant, la  question de la sûreté des réacteurs est tout à fait fondamentale. Actuellement on estime que la probabilité de fusion d’un cœur de réacteur du type REP est de 1 pour 100000 ans de fonctionnement et que celle d’un rejet important de corps radioactifs dans l’atmosphère serait dix fois plus faible. Avec le parc actuel de 500 réacteurs environ on peut donc s’attendre à un accident majeur tous les 2000 ans. Cette probabilité reste très faible comparée à celle d’observer d’autres catastrophes technologiques ou naturelles majeures. Mais si l’on multiplie le nombre de réacteurs par un  facteur dix pourrait on accepter  un risque dix fois plus grand ?  Personne ne le pense. Dès à présent des réacteurs comme les réacteurs à eau bouillante  ou le futur réacteur Européen à Eau Pressurisée (EPR) présenteraient des risques dix fois plus faibles. Il faudra donc donner aux futurs surgénérateurs des performances de sûreté encore meilleures. En l’absence d’expérience industrielle du fonctionnement de tels réacteurs il est, évidemment, impossible de calculer la probabilité d’un accident majeur. Il est possible, toutefois, de développer des concepts qui rendraient ce type d’accident très peu probable. Par exemple l’utilisation de combustibles à très haute température de fusion et de réacteurs de taille réduite pourrait rendre impossible la fusion du combustible qui serait suffisamment refroidi par radiation thermique. Sans fusion de combustible, en effet, le relâchement de radioéléments dans l’atmosphère reste très faible. Inversement, en utilisant un combustible liquide  on extrait en permanence les produits de fission volatils (Iode 131 par exemple) ; ainsi leur quantité  susceptible d’être relâchée dans l’atmosphère pourrait être considérablement limitée. L’expérience a malheureusement montré que la qualité des concepts n’est pas suffisante pour que la probabilité d’accident majeur soit maintenue à un niveau suffisamment faible : le sérieux et la compétence des hommes est aussi un facteur très important. C’est l’opinion de l’auteur qu’une autorité de sûreté internationale devrait contrôler la construction et le fonctionnement des réacteurs du futur. L’Agence Internationale de l’Energie Atomique pourrait fort bien assumer ce rôle, quitte à déléguer ses pouvoirs à des autorités nationales ou régionales dont la compétence serait reconnue.

Q. :  Avec la multiplication des réacteurs et la généralisation du retraitement des combustibles ne risque-t-on pas de voir une explosion de la prolifération d’armes nucléaires ?

Une remarque préliminaire : il n’y a pas d’exemple de pays qui ait commencé, sans arrière pensée, par un programme de production d’électricité nucléaire et qui ait, par la suite, réalisé un programme d’armes. Au contraire, de nombreux pays ont, d’abord, décidé de se doter de l’arme nucléaire pour, ensuite, se tourner vers des applications plus pacifiques. En réalité, les seules conditions nécessaires pour qu’un état se dote de l’arme nucléaire est qu’il en ait la volonté, qu’il dispose de moyens financiers raisonnables et, surtout, qu’il dispose de la matière grise nécessaire. Deux voies lui sont alors offertes, celle de l’Uranium 235 et celle du Plutonium 239. La première, celle qu’a utilisée le Pakistan dans un premier temps, ne demande que la réalisation d’une usine de séparation isotopique par centrifugation, méthode qui requiert un  bon niveau technologique dans le domaine du vide, sans plus. La vraie difficulté n’est plus de se procurer l’Uranium 235, mais bien de réaliser une bombe de rendement correct. La voie de l’Uranium 235 était aussi celle dans laquelle s’était engagé l’Irak. La deuxième voie, celle du Plutonium 239, exige, en effet, de disposer d’au moins un réacteur de production qui peut être un simple réacteur expérimental de faible puissance. Il faut aussi retraiter le combustible (aussi peu irradié que possible) pour en extraire le Plutonium par des procédés chimiques assez simples. S’il est vrai que la masse critique du Plutonium 239 est plus faible que celle de l’Uranium 235, la réalisation de la configuration explosive est plus délicate du fait de la présence de l’isotope Plutonium 240 qui émet spontanément des neutrons, et de ce fait, peut conduire à ce que l’engin fasse long feu. La difficulté est d’autant plus grande que la présence de Plutonium 240 est importante, et donc que l’irradiation du combustible a été grande. Dans les réacteurs électrogènes on cherche, précisément, à irradier le combustible aussi longtemps que possible ce qui produit un Plutonium militaire de mauvaise qualité.

Ceci étant, avec, en particulier, le risque d’utilisation par des organisations terroristes, il est sage de ne pas constituer de stocks de Plutonium directement utilisables. C’est ainsi que le Plutonium extrait à l’usine de La Hague est, aussi vite que possible, reconditionné sous forme d’un combustible MOx qui mélange  étroitement Plutonium et Uranium et devient, de ce fait, impropre à la réalisation d’armes.

Pour l’avenir, des technologies de retraitement du combustible dites non proliférantes, donnent  lieu à des études prometteuses dès à présent.

Q. :  L’effort financier qui serait nécessaire pour au moins décupler le nombre de réacteurs d’ici 2050 ne serait-il pas déraisonnable ?

S’il s’agit de construire de nouvelles capacités de production massive d’électricité, les seules méthodes actuellement compétitives, en absence de systèmes de prix subventionnés, sont les centrales au charbon et au gaz, en particulier celles faisant appel aux cycles combinés, et les centrales nucléaires. Mais la structure des prix est très différente dans les trois cas.

Commençons donc par l’examen des conditions de compétitivité du nucléaire. Si l’on considère le cas type d’une centrale de 1 GWe, le coût d’investissement est d’environ 1,5 milliard d’Euros pour la centrale nucléaire, 0,5 milliard d’Euros pour la centrale à gaz et 1 milliard d’Euros pour la centrale à charbon. De plus le temps de construction d’une centrale nucléaire est, dans les conditions les plus favorables, près de trois fois supérieur à celui d’une centrale à gaz. Au contraire les coûts de fonctionnement sont de l’ordre de 1,5 centimes d’Euros/kWh (cE/kWh) pour le nucléaire, compris entre   2 cE/kWh et 2,7 cE/kWh pour le charbon et entre 2,2 et 3,6 cE/kWh pour le gaz. Retenons un prix de vente de 3 cE/kWh pour l’électricité en sortie de centrale, et supposons que les centrales fonctionnent chaque année 7000 heures,  ce qui correspond à un fonctionnement en « base ». Chaque centrale fournit  un revenu brut de 210 Millions d’Euros. Compte tenu des frais de fonctionnement l’investissement sera remboursé au bout de 20 ans pour la centrale nucléaire, en incluant une  période de construction de 5 ans. Dans le cas d’une centrale à charbon on trouve un temps de remboursement compris entre 17 et 45 ans, et pour une centrale au gaz un temps minimum de 11 ans, mais une vente à perte dans le cas le plus défavorable. Supposons maintenant que la durée de fonctionnement de la centrale soit ramenée à 2000 heures par an  et que le prix de l’électricité soit doublé. Les centrales ne fournissent plus qu’un revenu brut de 120 Millions d’Euros. Dans le cas de la centrale nucléaire, le temps de remboursement reste de l’ordre de 20 ans. Dans le cas du charbon entre 15 et 18 ans, dans le cas du gaz entre 9 et 12 ans.

Ces petits calculs assez fastidieux permettent de comprendre pourquoi, dans le cadre du marché, peu de réacteurs ont été commandés. En effet, tant que le prix de l’électricité aux heures de pointe restera élevé, les investisseurs auront intérêt à construire des centrales à gaz. On voit aussi à quel point les discussions sur les coûts relatifs des modes de production peuvent être facilement biaisées par des considérations de plus ou moins bonne foi. Bien entendu ces considérations ne tiennent pas compte des problèmes liés au réchauffement climatique. Pour que l’avantage du gaz face aux demandes de production en pointe disparaisse, le niveau d’une taxe Carbone éventuelle devrait être très élevé. Pour augmenter les chances économiques du nucléaire il faut donc, en priorité, traiter la question des besoins d’électricité en pointe de demande. La multiplication des centrales à gaz va, bien entendu, rendre moins attractifs les tarifs aux heures pleines. Par ailleurs le développement de l’usage de la climatisation va augmenter les besoins d’électricité en été, ce qui tendra à augmenter les besoins en base. Un développement très important, non seulement pour l’économie du nucléaire mais, encore plus, pour celle des énergies renouvelables intermittentes, serait l’utilisation de l’hydrogène produit par électrolyse. Enfin, avec la volonté de réduire de façon économiquement acceptable les émissions de gaz à effet de serre, le remplacement du gaz naturel par du bio gaz pourrait s’avérer intéressant.

Sur le long terme il est nécessaire d’estimer l’amplitude des besoins en financement d’un programme visant à décupler le nombre de réacteurs en 50 ans. La construction de 9000 réacteurs supplémentaires coûterait environ 13500 milliards d’euros. Pendant la même période de 50 ans, le chiffre d’affaires de l’industrie de production d’électricité peut s’estimer à environ 30000 milliards d’euros. Les besoins en financement semblent donc compatibles avec les ressources de l’industrie de production d’électricité.

Q. :  Quelles conclusions ?

En conclusion, les conditions techniques et économiques pour le développement d’un nucléaire durable basé sur le remplacement progressif, dès 2030, des réacteurs classiques par des réacteurs surgénérateurs semblent pouvoir être réunies sans difficultés insurmontables. Un tel développement pourrait permettre de faire face aux besoins en énergie de l’humanité dans des conditions économiques satisfaisantes, tout en ramenant les émissions de gaz à effet de serre à des valeurs acceptables, permettant d’assurer que l’augmentation de la température globale n’excèderait pas 2 degrés.

Par contre, l’acceptabilité par l’opinion d’un tel redémarrage du  nucléaire n’est pas du tout acquise. Le nucléaire est, en effet, l’objet de peurs diffuses, aussi bien en ce qui concerne les craintes de catastrophes comme celle de Tchernobyl que celles liées au devenir des déchets nucléaires. Paradoxalement, le nucléaire civil semble focaliser plus d’opposition que le nucléaire militaire, ce qui démontre, s’il en était besoin, le caractère irrationnel de ces craintes. Celles-ci sont largement entretenues par la convergence improbable des groupes de pression charbonniers et gaziers avec certains groupes écologiques particulièrement vocaux et  dogmatiques. Poussés dans leur retranchement ces derniers groupes sont bien forcés de reconnaître qu’ils préfèrent voir continuer à croître les rejets de gaz à effet de serre plutôt que de recourir à l’énergie nucléaire. Ils  ont au moins le mérite d’admettre que le seul recours aux économies d’énergie et aux énergies renouvelables n’est pas à la dimension de l’enjeu. Mais leur choix à caractère idéologique, et donc, systématique, risque de se traduire par une catastrophe écologique qui dépassera tout ce que nous avons pu connaître jusqu’à présent. C’est ainsi que l’Allemagne et la Belgique ont annoncé leur renoncement au nucléaire, sous la pression des ministres verts, sans que l’on sache comment ces pays envisagent de remplacer leur réacteurs lorsqu’il les auront arrêtés. La Suède, après l’arrêt d’un réacteur, sous la pression danoise et en application d’un ancien referendum pour la sortie du nucléaire, ne voit pas comment elle pourra faire face aux obligations du protocole de Kyoto. Elle a décidé un moratoire pour l’arrêt de ses centrales. Parmi les pays occidentaux, seule la Finlande a compris l’intérêt de la reprise de la construction de réacteurs nucléaires, après une analyse aussi bien économique qu’environnementale, et malgré l’opposition des verts présents au gouvernement. La commissaire européenne à l’énergie a été particulièrement claire : il sera impossible à l’Europe de faire face aux obligations de Kyoto sans mettre en chantier une centaine de réacteurs nucléaires dans les deux décennies à venir ; cris d’orfraie des anti-nucléaires qui considèrent que toute opinion contraire à la leur émane du lobby  nucléaire. Par quelle aberration ceux qui se disent les meilleurs défenseurs de l’environnement empêchent-ils, dans les faits, de recourir à la seule technique qui permettrait de faire diminuer rapidement et économiquement les rejets de gaz à effet de serre ?

Les dangers potentiels du réchauffement climatique sont d’un autre ordre de grandeur que ceux que pourrait présenter une utilisation beaucoup plus importante de l’énergie nucléaire. L’urgence devrait être de sortir aussi vite que possible du  « fossile » et non comme le suggère la dénomination d’un réseau bien connu du « nucléaire ». Ceci étant, l’auteur ne pense pas qu’il y ait contradiction entre une utilisation plus large du nucléaire et celle d’énergies renouvelables. En particulier il y aurait lieu de développer le solaire thermique (chauffe-eau et planchers solaires) autant que faire se peut. Un vaste effort de mise en oeuvre de petites centrales photovoltaïques dans des villages dépourvus d’accès à un réseau centralisé devrait être une priorité absolue et pourrait être financé par une taxe modérée sur l’électricité. De même des mesures raisonnables d’économie d’énergie comme le développement des transports en commun, la climatisation solaire etc. sont tout à fait nécessaires. A terme, et surtout si l’utilisation de l’hydrogène se généralise, on peut espérer que l’énergie solaire pourra fournir une part croissante de l’énergie nécessaire à l’humanité, et, pourquoi pas, remplacer progressivement l’énergie nucléaire. Mais cette perspective lointaine ne doit en aucun cas servir d’alibi pour ne pas entreprendre aussi vite que possible le remplacement des combustibles fossiles par le combustible nucléaire.


Bibliographie

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J.M. Cavedon, « La Radioactivité est-elle réellement dangereuse ? » Les Petites Pommes du savoir n°8, 2002

J.C.Bobin, H.Nifenecker, C.Stéphan, « L’énergie dans le monde : bilan et perspectives », EDP Sciences 2001

R.Turlay ed., “Les déchets nucléaires”, EDP Sciences, 1997