Centrale nucléaire : fonctionnement, débat et perspectives

En France, le nucléaire est la première source de production d'électricité. Pour cette raison, la construction de centrales nucléaires nouvelle génération est d'ailleurs en cours sur notre territoire.

L'objectif : moderniser l'industrie nucléaire afin de réduire les émissions de CO2 de la France et préserver son indépendance énergétique.

Pour autant, les centrales nucléaires font l'objet de moult débats depuis des décennies.

👉 Mais de quoi s'agit-il exactement ? Comment fonctionne une centrale nucléaire ? Qu'est-ce que l'énergie nucléaire ? Quels sont ses avantages et ses inconvénients - voir ses dangers ? Combien existe-il de centrales en France et à travers le monde ? Quel avenir pour le nucléaire ?

Toutes les réponses dans cet article.

Centrale nucléaire, définition

Une centrale nucléaire est une usine où on produit de l’électricité par l'intermédiaire de la fission nucléaire.

Pour ceux qui ignoreraient ce qu'est la fission nucléaire, commençons par rappeler que tout ce qui nous entoure est composé d’atomes. Ces fameux atomes possèdent tous un noyau, lequel peut potentiellement produire une grande quantité d'énergie lorsqu'il est explosé. C'est tout le principe de la fission nucléaire.

👉 La fission nucléaire implique nécessairement l’usage d’uranium. De façon très prosaïque, l'uranium est un élément constitué d’atomes lourds instables, issus de certaines roches. Toutefois, seul l'uranium 235 est fissible. C’est donc celui utilisé par les centrales nucléaires.

L'énergie dégagée par la fission est tout bonnement gigantesque. Pour se faire une idée, 1 gramme d'uranium 235 libère autant d'énergie que la combustion de plusieurs tonnes de charbon. En outre, les neutrons libérés disposent eux-mêmes d'une très grande énergie. Ralentis, ils peuvent provoquer de nouvelles fissions. Au sein d'un réacteur nucléaire, la réaction s'auto-entretient.

Fission nucléaire vs fusion nucléaire

Gare à ne pas confondre fission et fusion nucléaire. Si toutes deux dégagent de l'énergie, il s'agit bien de deux phénomènes physiques au fonctionnement distinct.

👉 Pour simplifier, la fusion nucléaire est le phénomène qui se produit notamment au cœur du Soleil et des étoiles. Et s'il peut être reproduit par les scientifiques, ce n'est pas celui qui intervient au sein d'une centrale nucléaire.

Dans le cadre de la fusion nucléaire, le deutérium et le tritium (deux isotopes lourds d’hydrogène) fusionnent à plusieurs millions de degrés. Un noyau instable se forme ainsi. Or, pour retrouver une stabilité, ce noyau doit éjecter un atome d’hélium et un neutron. Un processus induisant la génération d'énergie.

Le fonctionnement d'une centrale nucléaire repose sur l'interaction entre trois circuits : le circuit primaire, secondaire et de refroidissement.

Le circuit primaire

Le circuit primaire est un circuit fermé au sein duquel se trouve le réacteur. À l'intérieur de ce dernier, la fission des atomes d'uranium génère une grande quantité de chaleur. Celle-ci permet de faire grimper la température de l'eau qui circule autour du réacteur à pas moins de 320 °C.

Le circuit secondaire

Le circuit secondaire est lui aussi un circuit fermé, avec lequel le circuit primaire communique toutefois via un générateur de vapeur. À ce stade, l'eau chaude issue du circuit primaire chauffe l'eau du circuit secondaire et la transforme en vapeur. La pression de cette vapeur enclenche une turbine, laquelle enclenche à son tour un alternateur qui produit un courant électrique alternatif.

Le circuit de refroidissement

Une fois hors de la turbine, la vapeur se voit à nouveau transformée en eau via un condenseur dans lequel circule justement de l'eau froide en provenance d'une source extérieure (fleuve, mer, etc.).
En fonction du débit de cette source extérieure, la centrale nucléaire présentera ou non une tour aéroréfrigérante.

En effet, il existe deux types de système de refroidissement :

• le refroidissement en circuit fermé : si le fleuve ou la rivière présente au débit limité, l'eau sera refroidie par le biais d’une tour aéroréfrigérante, grâce au courant d’air qui monte à l’intérieur ;
• le refroidissement en circuit ouvert : si le fleuve présente un débit important ou si l'eau est prélevée dans la mer, elle y est intégralement rejetée après passage dans le condenseur de la turbine.

La découverte de la radioactivité

Le phénomène de la radioactivité a été découvert en 1896 par Henri Becquerel, un physicien français. Ce fut cependant Marie Curie qui parla pour la première fois de "radioactivité", après avoir longuement étudié les propriétés des "rayons uraniques" de Becquerel. Par la suite, Lord Ernest Rutherford décrira la nature de la radioactivité en 1903, tandis qu'Irène Curie et Frédéric Joliot-Curie découvriront à leur tour la radioactivité artificielle en 1934.

La découverte de la fission nucléaire

Le phénomène de fission nucléaire est officiellement mis en évidence en 1938 par deux chimistes allemands : Strassmann et Hahn. À cette époque, malheureusement, leur collaboratrice Lise Meitner ne peut figurer comme coauteur de l'article dans une revue allemande. Juive réfugiée à Stockholm, en Suède, c'est pourtant bien Meitner qui comprend que les noyaux d’uranium 235 peuvent fissionner. Concrètement, elle établit qu'un seul petit neutron peut scinder en deux ces noyaux contenant 92 protons et 143 neutrons – l’un contenant 56 protons (le baryum), l’autre 36 (le krypton).

👉 À défaut, Lise Meitner publiera son interprétation en janvier 1939 dans la revue Nature, avec son neveu, Otto Frisch.

Dans le même temps, les astronomes Hans Bethe, Carl von Weizsacker et Charles Critchfield découvrent quant à eux que les étoiles tirent leur énergie de réactions internes de fusion nucléaire.

L'histoire de la découverte des propriétés de l'uranium 235 ne s'arrête pas là, cependant. Dans la foulée, d’autres physiciens établissent en effet qu’après fission d’un noyau d’uranium 235, deux ou trois neutrons sont émis. Or, ces derniers peuvent à leur tour percuter d’autres noyaux d’uranium 235, et ainsi de suite.

Le projet Manhattan

Plus connu du grand public, le projet Manhattan marque un tournant dans l'histoire de l'énergie nucléaire. À partir de 1941, plusieurs physiciens (dont le célèbre Robert Oppenheimer) envisagent en effet la possibilité d'exploiter la puissance de la fission nucléaire. Ce sera chose faite quatre ans plus tard : deux bombes atomiques explosent successivement sur Hiroshima et Nagasaki en août 1945.

Contrairement à une croyance populaire, Albert Einstein n'a pas travaillé à l'élaboration de la bombe atomique. Si beaucoup de gens l'associe à cette invention, c'est à cause d'une couverture du Time demeurée célèbre et titrée "Einstein le destructeur de l’ordre". Sur cette une, on voit un nuage atomique ayant la forme d’un cobra associé à la formule E=MC². Emblématique de la théorie de la relativité restreinte établie en 1905 par Albert Einstein - qui lui a valu le prix Nobel de physique - elle achève d'associer ce dernier à l'invention de l'arme atomique. Pourtant, cette formule a ouvert la voie vers de nombreux autres champs scientifiques. Einstein lui-même s’intéressait davantage aux découvertes autour de la gravitation et de l’électromagnétisme.

Mais en 1939, alors que la Seconde Guerre Mondiale menace, Albert Einstein vit en exil aux États-Unis, après avoir lui-même fui les persécutions à l'encontre des Juifs en Allemagne. À ce moment précis, un ancien confrère, Leó Szilárd lui fait parvenir des informations préoccupantes, quant à l’élaboration par les nazis d’une nouvelle arme. Fort de sa notoriété, Einstein pense alors pourvoir aider Szilárd à se faire entendre du président Roosevelt et lui adresse un courrier devenu célèbre.

Deux mois plus tard, en octobre 1939, le Comité consultatif pour l'uranium est créé. C'est le début du Projet Manhattan emmené par Robert Oppenheimer, auquel Einstein n'est cependant pas associé du fait de sa nationalité allemande et de son militantisme de gauche - considérés comme de potentielles menaces à ce projet de guerre.

Horrifié par les drames engendrés par les bombes d'Hiroshima et de Nagasaki (Little Boy, puis Fat Man), Albert Einstein regrettera toute sa vie la rédaction de cette lettre.

L'apparition des centrales nucléaires

Face aux nouveaux enjeux incarnés par le nucléaire, la France ne perd pas une minute et crée le Commissariat à l'énergie atomique (CEA) dès 1945, au sortir de la guerre. La construction de plusieurs réacteurs d'essai est lancée dans la foulée, pour aboutir à la mise en service du premier réacteur français producteur d'électricité en 1956.

C'est cependant en URSS que la première centrale nucléaire voir le jour en 1954. Dans les années suivantes, l'énergie nucléaire entre dans une phase d'industrialisation rapide aux États-Unis et en Europe. Une tendance accentuée plus tard avec la crise de 1973 et la hausse brutale du prix du pétrole. 

Les avantages de l'énergie nucléaire

La relative sûreté du nucléaire

En 2013, deux chercheurs de la NASA publient une étude établissant que l'énergie nucléaire est en vérité moins dangereuse que d'autres sources d'électricité.

Se pourrait-il donc que notre perception du nucléaire soit faussée ?

Comme évoqué précédemment, les images d'Hiroshima et de Nagasaki sont demeurées gravées dans la mémoire collective. De même que le visage hanté du "père de la bombe atomique", Robert Oppenheimer, et les regrets d'Albert Einstein, dont les travaux ont conduit à l'élaboration de cette arme.

L'empreinte carbone du nucléaire

L'énergie nucléaire présente l'avantage de ne pas être source d'émissions de gaz à effet de serre (GES) - contrairement aux combustibles fossiles. À un moment où les appels à la réduction de ces fameuses émissions se font plus que pressants, le recours au nucléaire peut donc s'avérer utile.

Bien évidemment, la construction d'une centrale nucléaire n'est pas neutre en carbone. Mais il en va de même pour l'édification d'une éolienne ou la production de panneaux solaires.

En bref, au regard de l'urgence climatique, le nucléaire peut s'inscrire et se révéler utile dans le cadre de la transition écologique de nos sociétés hautement consommatrices d'énergie. Rappelons, en effet, que si les énergies solaire et éolienne constituent les alternatives les plus durables, leur usage peut rapidement se voir entravé par les nuages, la nuit ou encore l'absence de vent.

Le nucléaire se modernise

Au même titre que de nombreuses industries, le secteur du nucléaire poursuit son évolution. Un exemple ? Les réacteurs nucléaires fonctionnent aujourd'hui à l’uranium. Mais d’autres types de "carburant" sont à l'étude, à l'image du thorium (Th, numéro atomique 90).

Or, le thorium est plus abondant que l'uranium et produit moins de déchets. Des déchets moins radioactifs de surcroît. En outre, transformer le thorium en arme nucléaire est beaucoup plus difficile, bref !

Si le nucléaire n'a rien d'un idéal, certains de ses attraits et sa possible évolution future pourraient sérieusement jouer en sa faveur.

Les inconvénients de l'énergie nucléaire

La prolifération des armes nucléaires

Les procédés utilisés pour générer de l’électricité via l’énergie nucléaire ont servi à fabriquer des armes.

Ouvert à la signature en 1968 (et entré en vigueur en 1970), le Traité de sur la non-prolifération des armes nucléaires avait justement pour objectif :

• d’empêcher la propagation de ces dernières et de la technologie des armements ;
• de promouvoir la coopération en faveur de l’utilisation pacifique de l’énergie nucléaire ;
• de soutenir l’objectif de désarmement nucléaire, général et complet.

👉 191 États parties ont signé ce traité, dont les 5 dotés de l'arme nucléaire (la France, le Royaume-Uni, les États-Unis, la Russie et la Chine). L’Inde, Israël et le Pakistan, eux, ne l'ont jamais fait et possèdent aujourd'hui des armes nucléaires.

Il est important de souligner que certains États signataires se sont déjà retirés de ce traité. Ce fut notamment le cas de la Corée du Nord en 2003.

Les déchets nucléaires

Les centrales nucléaires produisent des déchets radioactifs. Or la gestion puis l'élimination de ces déchets font l'objet de fréquents débats.

En bref, 97% des déchets radioactifs produits sont jugés comme étant inoffensifs. C'est le cas des déchets de faible et moyenne activité, qui peuvent être éliminés comme des déchets ordinaires après quelques jours/semaines.

Les incidents nucléaires

Ils ont beau être rares, les incidents nucléaires n'en demeurent pas moins préoccupants. Kyshtym, Tchernobyl, Fukushima... Autant de catastrophes aux proportions telles qu'elle sont entrées dans les livres d'Histoire.

Si leurs causes ont varié, les conséquences ont été identiques. En cas de désastre nucléaire, de grandes quantités de matière radioactive se retrouvent lâchées dans la nature, et les zones entourant les anciens réacteurs deviennent inhabitables. Ceci sans parler des victimes, dont le chiffre est difficilement estimable. Car aux personnes mortes d’un empoisonnement par radiation aigüe, il faut ajouter les décès et cas de maladie engendrés sur le long terme (les cancers, notamment).

Selon le site Statista, en 2022, on comptait 364 réacteurs nucléaires opérationnels dans le monde :

• 93 aux États-Unis ;
• 56 en France ;
• 53 en Chine ;
• 37 en Russie ;
• 33 au Japon ;
• 24 en Corée du Sud ;
• 22 en Inde ;
• 19 au Canada ;
• 15 en Ukraine ;
• 12 au Royaume-Uni.

👉 En 2023, 59 nouveaux réacteurs étaient en construction, dont 43 de conception russe ou chinoise.

Les centrales nucléaires nouvelle génération

Une centrale nucléaire qui repose sur la technologie EPR 

Les "centrales nucléaires nouvelle génération" - dites "évolutionnaires" - désignent les réacteurs nucléaires de troisième génération. 

Leur conception repose sur celle de deux types de réacteurs existants :

• les NA français ;
• les Konvoi allemands.

👉 Fort du retour d'exploitation de ses prédécesseurs et de l'utilisation de technologies éprouvées, ce modèle jugé plus sûr et performant est construit pour une durée de fonctionnement de 60 ans - contre 40 ans pour les réacteurs actuels.

Zoom sur les différentes générations des centrales nucléaires 

L'élaboration de la technologie EPR repose sur le fonctionnement des centrales nucléaires antérieures. Divisée en plusieurs catégories, chaque génération s'illustre évidemment par des avancées technologiques en matière de fonctionnement, de sûreté ou de cycle de combustible, tout en répondant aux critères d'exigences de sa propre époque.

Leurs caractéristiques sont les suivantes :

• la génération I englobe les réacteurs entrés en service en France dans les années 1970. D'une puissance comprise entre 50 et 500 MWe, ce sont des réacteurs qui utilisaient l'uranium naturel et étaient refroidis à l'eau ;
• la génération II désigne les réacteurs à eau sous pression (REP) construits entre la fin des années 1970 et les années 1990. Encore à l'origine de la production de la majorité de l'électricité nucléaire dans le monde (utilisant un uranium enrichi à 3 et 4 %), ils ont été déployés suite à la crise pétrolière responsable de l'augmentation du coût des combustibles fossiles. À l'époque, leur rôle consistait à améliorer la compétitivité de la France et à favoriser l'indépendance énergétique du pays.

👉 Les réacteurs de troisième génération sont supposés être plus respectueux de l'environnement et plus compétitifs que leurs prédécesseurs.

Les 4 arguments en faveur des centrales nucléaires nouvelle génération

1. La puissance 

Plus puissante, la centrale nucléaire troisième génération atteint une capacité de production de 1 650 mégawatts - contre 1 450 MW pour les modèles les plus récents construits en France. La fission nucléaire et l'eau sous pression permettent de produire 22 % d'électricité supplémentaire par rapport à un réacteur traditionnel. En définitive, la production annuelle d'une centrale est de l'ordre de 13 TWh. 

En outre, le rendement thermique s'élève à 37 % contre 33 % pour les réacteurs de deuxième génération. Cela est possible grâce à l'augmentation de la pression du circuit secondaire - passant de 65 à 78 bars.

2. Le niveau de sécurisation

✍️ À noter : en 1998, l'Allemagne a abandonné le développement de l'énergie nucléaire.

Dans l'optique de sortir de terre une infrastructure plus sécurisée, les créateurs de ce réacteur nucléaire nouvelle génération ont tiré les enseignements des accidents nucléaires précédents - à l'image de Tchernobyl en Ukraine et de Three Mile Island aux États-Unis.

Selon les informations issues de l'Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire, une centrale nucléaire troisième génération dotée de la technologie EPR est composée :

• d'une épaisse enveloppe de confinement en béton (2,6 mètres d'épaisseur) qui protège le réacteur et confine la matière nucléaire à l'intérieur de l'infrastructure ;
• de systèmes de sauvegarde diversifiés et physiquement séparés ;
• d'une capacité à fonctionner en toute occasion - même dans le cas où l'alimentation électrique est totalement perdue ;
• de systèmes indépendants de refroidissement d'urgence du cœur ;
• d'éléments plus robustes afin de faire face aux agressions internes et externes (explosion, séisme, crash d'avion, etc.).

Ces éléments doivent permettre de réduire le risque d'accident nucléaire grave - qu'il soit accidentel ou intentionnel - et protéger la population.

3. L'impact environnemental 

Conçus et développés dans les années 1990, ces réacteurs EPR mettent à profit des technologies plus récentes, sûres et produisent moins de déchets.

Par kWh produit, ce type de centrale nucléaire consommerait 7 à 15 % d'uranium en moins que les réacteurs de seconde génération.
De plus, l'EPR serait en mesure d'utiliser 100 % de combustibles MOX recyclés (un mélange d'oxydes d'uranium et de plutonium), permettant de réduire de 10 % la quantité de déchets à vie longue produite par kWh.

Concernant son empreinte carbone, la Taxonomie considère ce type d'infrastructure comme une énergie verte de par ses faibles émissions de CO2. À titre d'illustration, les EPR déjà en service en Chine et au Royaume-Uni évitent respectivement le rejet de 21 et de 18 millions de tonnes de CO2 par an.

Enfin, selon les calculs de sûreté, le rejet significatif de radioactivité dans l'atmosphère en cas d'accident majeur est dix fois plus faible qu'avec les réacteurs nucléaires actuels. Concernant les sols, le réacteur est fixé sur une plaque de béton de six mètres d'épaisseur - « un récupérateur de corium ». Celle-ci protège le sol de la pollution provoquée par une fuite de matière nucléaire, suite à un accident de fusion du cœur.

4. Le soutien à l'indépendance énergétique de la France 

Le nucléaire pourrait permettre de réduire la dépendance de la France vis-à-vis des pays producteurs de gaz (la Russie, notamment). 

Pour cette raison, les EPR ont vocation à progressivement remplacer les réacteurs installés dans les années 80, avant d'être eux-mêmes remplacés par des EPR 2. 

Toutefois il est à noter que l'uranium nécessaire au fonctionnement d'une centrale nucléaire deuxième ou troisième génération est importé à 100 %. D'un autre côté, selon les scénarios élaborés par le gestionnaire du Réseau de Transport d'Électricité français (RTE) pour atteindre la neutralité carbone en 2050, la mise en service de 14 EPR permettrait :

• de se substituer aux énergies fossiles (les EPR seront capables de produire 20 des 40 % de nucléaire compris dans le mix énergétique du second scénario) ;
• de répondre à la forte demande en électricité ;
• de remplacer les réacteurs nucléaires actuels atteignant les 40 ans d'exploitation ;
• d'assurer l'approvisionnement et l'indépendance énergétique de la France.

Où se trouvent les centrales nucléaires nouvelle génération ?

En France 

À ce jour, une centrale nucléaire EPR est en construction dans la commune de Flamanville située dans la Manche. Malheureusement, le projet EPR français ne se déroule pas comme prévu. 

À date (et depuis 2007), la tranche 3 de la centrale nucléaire de Flamanville - située dans La Manche - est le seul EPR en construction en France.

Toutefois, le chantier accumule les retards : le chargement du combustible devait être terminé en 2012, mais son achèvement a finalement été reporté à la mi-2024.

En outre, il coûte quatre fois plus cher que le budget prévu à l'origine (12,7 milliards d'euros contre 3,3 milliards d'euros en 2007). De fait, ce projet est considéré comme un véritable « échec opérationnel » par la Cour des comptes.

Dans le monde 

Il existe trois EPR en service dans le monde : deux sont situés en Chine (à Taishan plus précisément) et un en Finlande. Le pays d'Europe du Nord est le premier à avoir opté pour ce type de réacteur pour la construction de sa cinquième centrale nucléaire.

Deux centrales nucléaires sont en construction à Hinkley Point, dans le sud-ouest du Royaume-Uni. En outre, l'Inde et le Royaume-Uni souhaitent lancer huit nouveaux projets.

Une quatrième génération à l'étude 

En raison du chantier sans fin de Flamanville - victime de couacs à répétition - l'attention se focalise sur les réacteurs de quatrième génération encore à l'étude. 

Surnommés les EPR 2 (ou “EPR NM” pour “Nouveau Modèle”), ces centrales ne sont ni plus ni moins que des formats évolués des EPR.

Les membres du Forum international Génération IV ont retenu six technologies pouvant être utilisées par ce type de réacteur :

• les réacteurs nucléaires à neutrons rapides (qui correspondent à trois technologies composées soit d'un circuit de refroidissement au gaz, d'un refroidissement au sodium ou d'un refroidissement au plomb) ;
• les réacteurs nucléaires à eau supercritique (RESC) ;
• les réacteurs nucléaires à très haute température (RTHT) ;
• les réacteurs nucléaires à sels fondus (RSF).

En bref, ce nouveau type de centrale conserve le fonctionnement de l'EPR initial, mais s'avère encore plus sécurisé, abordable, simple à construire, performant et économe en combustible.

👉 Les réacteurs nucléaires de quatrième génération devraient entrer en fonctionnement entre 2040 et 2050.

Six réacteurs prochainement en construction 

Lors de sa campagne de 2022, Emmanuel Macron partageait son souhait de relancer la filière nucléaire en France avec la construction de six réacteurs EPR 2 d'ici 2050. Deux devraient voir le jour à Penly, deux à Gravelines et deux dans la vallée du Rhône (l'ajout de deux EPR dans la centrale nucléaire de Cattenom en Moselle ayant été refusé par le gouvernement français).

Cette promesse a fait l'objet d'un projet de loi présenté le 26 septembre 2022 au Conseil national de la transition écologique et adopté le 21 mars 2023. Ce dernier vise à accélérer le chantier en allégeant temporairement certaines procédures administratives.

Ainsi, les réacteurs nucléaires se verront attribuer le statut de priorité politique absolue leur permettant d'être reconnus d'intérêt public majeur. Ce statut permet aux infrastructures d'échapper à certaines dispositions du Code de l'environnement et à la loi littoral.

En l'état, le chantier de ces EPR 2 débuterait en 2027, pour une exploitation du premier réacteur espérée aux alentours de 2035. En outre, les travaux des bâtiments qui n'abriteront pas de matière radioactive pourront commencer avant la fin de l'enquête publique.

👉 À long terme, le gouvernement envisage la construction de huit réacteurs supplémentaires. L'objectif étant de sortir des énergies fossiles et de contribuer à l'atteinte de la neutralité carbone en 2050.

Vous souhaitez lutter contre le dérèglement climatique ? Entamez dès maintenant la transition écologique de votre entreprise en réalisant votre bilan carbone.

Soyez accompagné tout au long de votre démarche par les experts Greenly. Avant de vous lancer, profitez d'une démonstration gratuite et sans engagement de notre plateforme.