Pouvoir nucléaire - Nuclear power

La centrale nucléaire de 1200 MWe de Leibstadt en Suisse. Le réacteur à eau bouillante (REB), situé à l'intérieur de la structure cylindrique coiffée d'un dôme, est éclipsé par sa tour de refroidissement . La station produit une moyenne annuelle de 25 millions de kilowattheures par jour, ce qui est suffisant pour alimenter une ville de la taille de Boston .

L'énergie nucléaire est l'utilisation de réactions nucléaires pour produire de l' électricité . L' énergie nucléaire peut être obtenu à partir de la fission nucléaire , la désintégration nucléaire et fusion nucléaire réactions. Actuellement, la grande majorité de l'électricité d'origine nucléaire est produite par la fission nucléaire de l' uranium et du plutonium dans les centrales nucléaires . Les processus de désintégration nucléaire sont utilisés dans des applications de niche telles que les générateurs thermoélectriques à radio-isotopes dans certaines sondes spatiales telles que Voyager 2 . Produire de l'électricité à partir de l'énergie de fusion reste au centre de la recherche internationale.

L'énergie nucléaire civile a fourni 2 586 térawattheures (TWh) d'électricité en 2019, soit environ 10 % de la production mondiale d'électricité , et était la deuxième source d' énergie à faible émission de carbone après l' hydroélectricité . En septembre 2021, il y avait 444 réacteurs à fission civils dans le monde , avec une capacité électrique combinée de 396 gigawatts (GW). Il y a également 53 réacteurs nucléaires en construction et 98 réacteurs prévus, d'une capacité combinée de 60 GW et 103 GW, respectivement. Les États-Unis possèdent le plus grand parc de réacteurs nucléaires, produisant plus de 800 TWh d'électricité zéro émission par an avec un facteur de capacité moyen de 92 %. La plupart des réacteurs en construction sont des réacteurs de génération III en Asie.

L'énergie nucléaire a l'un des niveaux les plus bas de décès par unité d'énergie produite par rapport aux autres sources d'énergie. Le charbon , le pétrole , le gaz naturel et l' hydroélectricité ont chacun causé plus de décès par unité d' énergie en raison de la pollution de l' air et des accidents . Depuis sa commercialisation dans les années 1970, l'énergie nucléaire a évité environ 1,84 million de décès liés à la pollution atmosphérique et l'émission d'environ 64 milliards de tonnes d' équivalent dioxyde de carbone qui auraient autrement résulté de la combustion de combustibles fossiles . Les accidents dans les centrales nucléaires incluent la catastrophe de Tchernobyl en Union soviétique en 1986, la catastrophe nucléaire de Fukushima Daiichi au Japon en 2011 et l' accident plus circonscrit de Three Mile Island aux États-Unis en 1979.

Il y a un débat sur l'énergie nucléaire . Les partisans, tels que la World Nuclear Association et les Environmentalists for Nuclear Energy , soutiennent que l'énergie nucléaire est une source d'énergie sûre et durable qui réduit les émissions de carbone . Les opposants à l'énergie nucléaire , tels que Greenpeace et NIRS , soutiennent que l'énergie nucléaire pose de nombreuses menaces pour les personnes et l'environnement.

Histoire

Origines

Les premières ampoules jamais allumées par l'électricité produite par l'énergie nucléaire à EBR-1 au Laboratoire national d'Argonne -Ouest, le 20 décembre 1951.

La découverte de la fission nucléaire a eu lieu en 1938 après plus de quatre décennies de travaux sur la science de la radioactivité et l'élaboration d'une nouvelle physique nucléaire décrivant les composants des atomes . Peu de temps après la découverte du processus de fission, on s'est rendu compte qu'un noyau en fission peut induire d'autres fissions de noyau, induisant ainsi une réaction en chaîne auto-entretenue. Une fois que cela a été confirmé expérimentalement en 1939, des scientifiques de nombreux pays ont demandé à leurs gouvernements de soutenir la recherche sur la fission nucléaire, juste à l'aube de la Seconde Guerre mondiale , pour le développement d'une arme nucléaire .

Aux États-Unis, ces efforts de recherche ont conduit à la création du premier réacteur nucléaire artificiel, le Chicago Pile-1 , qui a atteint la criticité le 2 décembre 1942. Le développement du réacteur faisait partie du projet Manhattan , l' effort allié pour créer des bombes atomiques pendant la Seconde Guerre mondiale. Il a conduit à la construction de réacteurs de production à usage unique plus grands pour la production de plutonium de qualité militaire destiné à être utilisé dans les premières armes nucléaires. Les États-Unis ont testé la première arme nucléaire en juillet 1945, le test Trinity , avec les bombardements atomiques d'Hiroshima et de Nagasaki ayant lieu un mois plus tard.

La cérémonie de lancement de l' USS  Nautilus en janvier 1954. En 1958, il deviendra le premier navire à atteindre le pôle Nord .
La centrale nucléaire de Calder Hall au Royaume-Uni, la première centrale nucléaire commerciale au monde.

Malgré la nature militaire des premiers engins nucléaires, les années 1940 et 1950 ont été caractérisées par un fort optimisme quant au potentiel de l'énergie nucléaire à fournir une énergie bon marché et sans fin. L'électricité a été produite pour la première fois par un réacteur nucléaire le 20 décembre 1951, à la station expérimentale EBR-I près d' Arco, Idaho , qui a initialement produit environ 100  kW . En 1953, le président américain Dwight Eisenhower prononça son discours « L' atome pour la paix » aux Nations Unies , soulignant la nécessité de développer rapidement les usages « pacifiques » de l'énergie nucléaire. Cela a été suivi par la loi sur l'énergie atomique de 1954 qui a permis une déclassification rapide de la technologie des réacteurs américains et a encouragé le développement par le secteur privé.

Première génération d'électricité

La première organisation à développer l' énergie nucléaire pratique fut l' US Navy , avec le réacteur S1W dans le but de propulser des sous - marins et des porte - avions . Le premier sous-marin à propulsion nucléaire, l' USS  Nautilus , a été mis à la mer en janvier 1954. Le réacteur S1W était un réacteur à eau pressurisée . Cette conception a été choisie car elle était plus simple, plus compacte et plus facile à utiliser par rapport aux conceptions alternatives, donc plus adaptée à une utilisation dans les sous-marins. Cette décision ferait du REP le réacteur de choix également pour la production d'électricité, ayant ainsi un impact durable sur le marché de l'électricité civile dans les années à venir.

Le 27 juin 1954, la centrale nucléaire d'Obninsk en URSS est devenue la première centrale nucléaire au monde à produire de l'électricité pour un réseau électrique , produisant environ 5 mégawatts d'électricité. La première centrale nucléaire commerciale au monde, Calder Hall à Windscale, en Angleterre, a été connectée au réseau électrique national le 27 août 1956. À l'instar d'un certain nombre d'autres réacteurs de génération I , la centrale avait le double objectif de produire de l' électricité et du plutonium-239. , ce dernier pour le programme d' armes nucléaires naissant en Grande - Bretagne .

Accidents précoces

Les premiers accidents nucléaires majeurs ont été la catastrophe de Kyshtym en Union soviétique et l' incendie de Windscale au Royaume-Uni, tous deux en 1957. Le premier accident majeur d'un réacteur nucléaire aux États-Unis s'est produit en 1961 au SL-1 , un laboratoire expérimental de l' armée américaine. réacteur nucléaire de l' Idaho National Laboratory . Une réaction en chaîne incontrôlée a entraîné une explosion de vapeur qui a tué les trois membres d'équipage et provoqué un effondrement . Un autre accident grave s'est produit en 1968, lorsque l'un des deux réacteurs refroidis par métal liquide à bord du sous - marin soviétique  K-27 a subi une défaillance de l'élément combustible , avec l'émission de produits de fission gazeux dans l'air environnant, entraînant la mort de 9 membres d'équipage et 83 blessés.

Expansion et première opposition

La capacité nucléaire totale installée dans le monde a d'abord augmenté relativement rapidement, passant de moins de 1 gigawatt (GW) en 1960 à 100 GW à la fin des années 1970. Au cours des années 1970 et 1980, l'augmentation des coûts économiques (liée aux délais de construction prolongés en grande partie dus aux changements réglementaires et aux litiges des groupes de pression) et la baisse des prix des combustibles fossiles ont rendu les centrales nucléaires alors en construction moins attrayantes. Dans les années 1980 aux États-Unis et dans les années 1990 en Europe, la croissance du réseau électrique plat et la libéralisation de l'électricité ont également rendu l'ajout de nouveaux grands générateurs d'énergie de base peu attractifs sur le plan économique.

La crise pétrolière de 1973 a eu un effet significatif sur des pays, comme la France et le Japon , qui s'étaient davantage appuyés sur le pétrole pour la production d'électricité pour investir dans l'énergie nucléaire. La France construirait 25 centrales nucléaires au cours des 15 prochaines années, et en 2019, 71% de l'électricité française était produite par l'énergie nucléaire, le pourcentage le plus élevé de tous les pays du monde.

Une certaine opposition locale à l'énergie nucléaire a émergé aux États-Unis au début des années 1960. À la fin des années 1960, certains membres de la communauté scientifique ont commencé à exprimer des préoccupations précises. Ces préoccupations antinucléaires concernaient les accidents nucléaires , la prolifération nucléaire , le terrorisme nucléaire et l'élimination des déchets radioactifs . Au début des années 1970, il y a eu de grandes protestations contre un projet de centrale nucléaire à Wyhl , en Allemagne. Le projet a été annulé en 1975 le succès anti-nucléaire à Wyhl a inspiré l'opposition à l'énergie nucléaire dans d'autres régions d' Europe et d'Amérique du Nord .

Au milieu des années 1970, l' activisme antinucléaire a gagné en popularité et en influence, et l'énergie nucléaire a commencé à devenir un sujet de protestation publique majeure. Dans certains pays, le conflit nucléaire "a atteint une intensité sans précédent dans l'histoire des controverses technologiques". L'hostilité accrue du public à l'égard de l'énergie nucléaire a conduit à un processus d'obtention de permis plus long, à des réglementations et à des exigences accrues en matière d'équipement de sécurité, ce qui a rendu les nouvelles constructions beaucoup plus coûteuses. Aux États-Unis, plus de 120 propositions de réacteurs LWR ont finalement été annulées et la construction de nouveaux réacteurs a été interrompue. L' accident de 1979 à Three Mile Island, sans aucun décès, a joué un rôle majeur dans la réduction du nombre de nouvelles constructions d'usines dans de nombreux pays.

Tchernobyl et renaissance

La ville de Pripyat abandonnée depuis 1986, avec au loin la centrale de Tchernobyl et l' arche du nouveau confinement de sécurité de Tchernobyl .
Olkiluoto 3 en construction en 2009. C'était le premier EPR , un PWR modernisé, à démarrer la construction.

Au cours des années 1980, un nouveau réacteur nucléaire a démarré tous les 17 jours en moyenne. À la fin de la décennie, la capacité nucléaire installée mondiale atteignait 300 GW. Depuis la fin des années 1980, les nouveaux ajouts de capacité ont considérablement ralenti, la capacité nucléaire installée atteignant 366 GW en 2005.

La catastrophe de Tchernobyl en 1986 en URSS , impliquant un réacteur RBMK , a modifié le développement de l'énergie nucléaire et a conduit à une plus grande concentration sur le respect des normes internationales de sécurité et de réglementation. Elle est considérée comme la pire catastrophe nucléaire de l'histoire à la fois en termes de pertes totales, avec 56 morts directes, et financièrement, avec le nettoyage et le coût estimé à 18 milliards de roubles soviétiques (68 milliards de dollars américains en 2019, ajustés en fonction de l'inflation). L'organisation internationale visant à promouvoir la sensibilisation à la sûreté et le développement professionnel des exploitants d'installations nucléaires, l' Association mondiale des exploitants nucléaires (WANO), a été créée à la suite de l'accident de Tchernobyl en 1986. La catastrophe de Tchernobyl a joué un rôle majeur dans la réduction du nombre de nouvelles constructions de centrales au cours des années suivantes. Influencée par ces événements, l'Italie a voté contre l'énergie nucléaire lors d'un référendum de 1987, devenant ainsi le premier pays à éliminer complètement l'énergie nucléaire en 1990.

Au début des années 2000, l'énergie nucléaire s'attendait à une renaissance du nucléaire , à une augmentation de la construction de nouveaux réacteurs, en raison des inquiétudes concernant les émissions de dioxyde de carbone . Au cours de cette période, les réacteurs de génération III plus récents , comme l' EPR, ont commencé la construction, bien que rencontrant des problèmes et des retards, et dépassant considérablement leur budget.

Fukushima et les perspectives actuelles

Production d'électricité nucléaire (TWh) et réacteurs nucléaires opérationnels depuis 1997

Les plans pour une renaissance nucléaire ont été interrompus par un autre accident nucléaire. L' accident nucléaire de Fukushima Daiichi en 2011 a été causé par un important tsunami déclenché par le tremblement de terre de Tōhoku , l'un des plus grands tremblements de terre jamais enregistrés. La centrale nucléaire de Fukushima Daiichi a subi trois fusions de cœur en raison de la défaillance du système de refroidissement d'urgence par manque d'approvisionnement en électricité. Il en est résulté l'accident nucléaire le plus grave depuis la catastrophe de Tchernobyl. L'accident a entraîné un réexamen de la politique de sûreté nucléaire et d'énergie nucléaire dans de nombreux pays. L'Allemagne a approuvé des plans pour fermer tous ses réacteurs d'ici 2022, et de nombreux autres pays ont revu leurs programmes d'énergie nucléaire. À la suite de la catastrophe, le Japon a fermé tous ses réacteurs nucléaires, certains d'entre eux de façon permanente, et en 2015 a commencé un processus progressif de redémarrage des 40 réacteurs restants, à la suite de contrôles de sécurité et sur la base de critères d'exploitation révisés et d'approbation publique.

En 2015, les perspectives de l'AIEA pour l'énergie nucléaire étaient devenues plus prometteuses, reconnaissant l'importance de la production à faible émission de carbone pour atténuer le changement climatique. À partir de 2015, la tendance mondiale était que la mise en service des nouvelles centrales nucléaires soit compensée par le nombre d'anciennes centrales mises hors service. En 2016, l' Energy Information Administration des États - Unis a prévu pour son « scénario de référence » que la production mondiale d'énergie nucléaire passerait de 2 344 térawattheures (TWh) en 2012 à 4 500 TWh en 2040. La majeure partie de l'augmentation prévue devrait se produire en Asie. En 2018, plus de 150 réacteurs nucléaires sont prévus dont 50 en construction. En janvier 2019, la Chine comptait 45 réacteurs en exploitation, 13 en construction, et prévoit d'en construire 43 autres, ce qui en ferait le plus grand producteur d'électricité nucléaire au monde.

Centrales nucléaires

Une animation d'un réacteur à eau sous pression en fonctionnement.
Nombre de réacteurs civils de production d'électricité par type en 2014.
  REP   REB   GCR   PHWR   LWGR   FBR

Les centrales nucléaires sont des centrales thermiques qui produisent de l'électricité en exploitant l' énergie thermique dégagée par la fission nucléaire . Une centrale nucléaire à fission est généralement composée d'un réacteur nucléaire , dans lequel se déroulent les réactions nucléaires générant de la chaleur ; un système de refroidissement qui évacue la chaleur de l'intérieur du réacteur ; une turbine à vapeur , qui transforme la chaleur en énergie mécanique ; un générateur électrique , qui transforme l'énergie mécanique en énergie électrique.

Lorsqu'un neutron frappe le noyau d'un atome d' uranium-235 ou de plutonium , il peut diviser le noyau en deux noyaux plus petits. La réaction est appelée fission nucléaire. La réaction de fission libère de l'énergie et des neutrons. Les neutrons libérés peuvent frapper d'autres noyaux d'uranium ou de plutonium, provoquant de nouvelles réactions de fission, qui libèrent plus d'énergie et plus de neutrons. C'est ce qu'on appelle une réaction en chaîne . Dans la plupart des réacteurs commerciaux, la vitesse de réaction est contrôlée par des barres de contrôle qui absorbent les neutrons en excès. La contrôlabilité des réacteurs nucléaires dépend du fait qu'une petite fraction des neutrons résultant de la fission est retardée . Le délai entre la fission et la libération des neutrons ralentit les changements de vitesse de réaction et donne le temps de déplacer les barres de commande pour ajuster la vitesse de réaction.

Cycle de vie du combustible nucléaire

Le cycle du combustible nucléaire commence lorsque l'uranium est extrait, enrichi et transformé en combustible nucléaire (1), qui est livré à une centrale nucléaire . Après utilisation, le combustible usé est livré à une usine de retraitement (2) ou à un stockage définitif (3). Dans le retraitement nucléaire, 95 % du combustible usé peut potentiellement être recyclé pour être réutilisé dans une centrale électrique (4).

Le cycle de vie du combustible nucléaire commence avec l'extraction de l'uranium . Le minerai d'uranium est ensuite transformé en un concentré de minerai compact , appelé yellowcake (U 3 O 8 ), pour en faciliter le transport. Les réacteurs à fission ont généralement besoin d' uranium-235 , un isotope fissile de l'uranium . La concentration d'uranium-235 dans l'uranium naturel est très faible (environ 0,7%). Certains réacteurs peuvent utiliser cet uranium naturel comme combustible, en fonction de leur économie neutronique . Ces réacteurs comportent généralement des modérateurs au graphite ou à l'eau lourde . Pour les réacteurs à eau légère, le type de réacteur le plus courant, cette concentration est trop faible, et elle doit être augmentée par un procédé appelé enrichissement d'uranium . Dans les réacteurs civils à eau légère, l'uranium est généralement enrichi de 3,5 à 5 % d'uranium 235. L'uranium est ensuite généralement converti en oxyde d'uranium (UO 2 ), une céramique, qui est ensuite frittée par compression en pastilles de combustible, dont un empilement forme des barres de combustible de composition et de géométrie appropriées pour le réacteur particulier.

Après un certain temps dans le réacteur, le combustible aura réduit les matières fissiles et augmenté les produits de fission, jusqu'à ce que son utilisation devienne impraticable. À ce stade, le combustible usé sera déplacé vers une piscine de combustible usé qui assure le refroidissement de la chaleur thermique et une protection contre les rayonnements ionisants. Après plusieurs mois ou années, le combustible usé est suffisamment refroidi sur le plan radioactif et thermique pour être transféré dans des fûts de stockage à sec ou retraité.

Ressources d'uranium

Proportions des isotopes uranium-238 (bleu) et uranium-235 (rouge) présents dans l'uranium naturel et dans l'uranium enrichi pour différentes applications. Les réacteurs à eau ordinaire utilisent de l'uranium enrichi de 3 à 5 %, tandis que les réacteurs CANDU fonctionnent avec de l'uranium naturel.

L'uranium est un élément assez courant dans la croûte terrestre : il est à peu près aussi courant que l' étain ou le germanium , et environ 40 fois plus que l' argent . L'uranium est présent à l'état de traces dans la plupart des roches, de la terre et de l'eau de mer, mais il n'est généralement extrait de manière économique que lorsqu'il est présent à des concentrations élevées. L'extraction d'uranium peut être souterraine, à ciel ouvert ou par lixiviation in situ . Un nombre croissant des mines les plus productives sont des exploitations souterraines éloignées, telles que la mine d'uranium de McArthur River , au Canada, qui représente à elle seule 13 % de la production mondiale. En 2011, les ressources mondiales connues d'uranium, économiquement récupérables au prix plafond arbitraire de 130 USD/kg, étaient suffisantes pour durer entre 70 et 100 ans. En 2007, l'OCDE a estimé à 670 ans l'uranium économiquement récupérable dans les ressources conventionnelles totales et les minerais de phosphate en supposant le taux d'utilisation alors en vigueur.

Les réacteurs à eau légère font un usage relativement inefficace du combustible nucléaire, la plupart utilisant uniquement l'isotope très rare de l'uranium-235. Le retraitement nucléaire peut rendre ces déchets réutilisables, et les nouveaux réacteurs permettent également une utilisation plus efficace des ressources disponibles que les anciens. Avec un cycle de combustible de réacteur rapide pur avec une combustion de tout l'uranium et des actinides (qui constituent actuellement les substances les plus dangereuses dans les déchets nucléaires), il y a environ 160 000 ans d'uranium dans les ressources conventionnelles totales et le minerai de phosphate au prix de 60 à 100 US$/kg.

Des ressources en uranium non conventionnel existent également. L'uranium est naturellement présent dans l'eau de mer à une concentration d'environ 3 microgrammes par litre, avec 4,4 milliards de tonnes d'uranium considérées présentes dans l'eau de mer à tout moment. En 2014, il a été suggéré qu'il serait économiquement compétitif de produire du combustible nucléaire à partir d'eau de mer si le procédé était mis en œuvre à grande échelle. Sur des échelles de temps géologiques, l'uranium extrait à l'échelle industrielle de l'eau de mer serait reconstitué à la fois par l'érosion fluviale des roches et le processus naturel de dissolution de l' uranium à partir de la surface du plancher océanique, qui maintiennent tous deux l' équilibre de solubilité de la concentration d'eau de mer à un niveau stable. niveau. Certains commentateurs ont soutenu que cela renforce les arguments pour que l' énergie nucléaire soit considérée comme une énergie renouvelable .

Déchets nucléaires

Composition typique du combustible à base de dioxyde d'uranium avant et après environ 3 ans dans le cycle du combustible nucléaire à passage unique d'un REO .

Le fonctionnement normal des centrales et installations nucléaires produit des déchets radioactifs , ou déchets nucléaires. Ce type de déchets est également produit lors du démantèlement de la centrale. Il existe deux grandes catégories de déchets nucléaires : les déchets de faible activité et les déchets de haute activité. Le premier a une faible radioactivité et comprend des articles contaminés tels que des vêtements, qui représentent une menace limitée. Les déchets de haute activité sont principalement le combustible usé des réacteurs nucléaires, qui est très radioactif et doit être refroidi puis éliminé ou retraité en toute sécurité.

Déchets de haute activité

Activité du combustible UOx usé par rapport à l'activité du minerai d'uranium naturel au cours du temps.
Cuves d'entreposage en fûts secs stockant des assemblages de combustible nucléaire usé

Le flux de déchets le plus important des réacteurs nucléaires est le combustible nucléaire usé , qui est considéré comme un déchet de haute activité . Pour les REO, le combustible usé est généralement composé de 95 % d'uranium, 4 % de produits de fission et environ 1 % d' actinides transuraniens (principalement du plutonium , du neptunium et de l' américium ). Le plutonium et les autres transuraniens sont responsables de l'essentiel de la radioactivité à long terme, tandis que les produits de fission sont responsables de l'essentiel de la radioactivité à court terme.

Les déchets de haute activité nécessitent un traitement, une gestion et un isolement de l'environnement. Ces opérations présentent des défis considérables en raison des périodes extrêmement longues pendant lesquelles ces matériaux restent potentiellement dangereux pour les organismes vivants. Cela est dû aux produits de fission à vie longue (LLFP), tels que le technétium-99 (demi-vie 220 000 ans) et l' iode-129 (demi-vie 15,7 millions d'années). Les LLFP dominent le flux de déchets en termes de radioactivité, après que les produits de fission à courte durée de vie (SLFP) plus intensément radioactifs se soient désintégrés en éléments stables, ce qui prend environ 300 ans. En raison de la diminution exponentielle de la radioactivité avec le temps, l'activité du combustible nucléaire usé diminue de 99,5 % après 100 ans. Après environ 100 000 ans, le combustible usé devient moins radioactif que le minerai d'uranium naturel. Les méthodes couramment suggérées pour isoler les déchets LLFP de la biosphère comprennent la séparation et la transmutation , les traitements synroc ou le stockage géologique en profondeur.

Les réacteurs à neutrons thermiques , qui constituent actuellement la majorité du parc mondial, ne peuvent pas brûler le plutonium de qualité réacteur qui est généré pendant l'exploitation du réacteur. Cela limite la durée de vie du combustible nucléaire à quelques années. Dans certains pays, comme les États-Unis, le combustible usé est classé dans son intégralité comme un déchet nucléaire. Dans d'autres pays, comme la France, il est en grande partie retraité pour produire un combustible partiellement recyclé, appelé combustible à oxyde mixte ou MOX . Pour le combustible usé qui ne subit pas de retraitement, les isotopes les plus préoccupants sont les éléments transuraniens à vie moyenne , qui sont en tête du plutonium de qualité réacteur (demi-vie 24 000 ans). Certaines conceptions de réacteurs proposées, telles que le réacteur rapide intégré et les réacteurs à sels fondus , peuvent utiliser comme combustible le plutonium et d'autres actinides contenus dans le combustible usé des réacteurs à eau légère, grâce à leur spectre de fission rapide . Cela offre une alternative potentiellement plus intéressante au stockage géologique en profondeur.

Le cycle du combustible au thorium produit des produits de fission similaires, mais crée une proportion beaucoup plus faible d'éléments transuraniens provenant d' événements de capture de neutrons dans un réacteur. Le combustible au thorium usé, bien que plus difficile à manipuler que le combustible à l'uranium usé, peut présenter des risques de prolifération un peu plus faibles.

Déchets de faible activité

L'industrie nucléaire produit également un grand volume de déchets de faible activité, à faible radioactivité, sous la forme d'articles contaminés comme des vêtements, des outils à main, des résines purificateurs d'eau et (lors du déclassement) les matériaux dont le réacteur lui-même est construit. Les déchets de faible activité peuvent être stockés sur place jusqu'à ce que les niveaux de rayonnement soient suffisamment faibles pour être éliminés comme des déchets ordinaires, ou ils peuvent être envoyés vers un site d'élimination des déchets de faible activité.

Déchets par rapport aux autres types

Dans les pays dotés d'énergie nucléaire, les déchets radioactifs représentent moins de 1 % du total des déchets toxiques industriels, dont la plupart restent dangereux pendant de longues périodes. Dans l'ensemble, l'énergie nucléaire produit beaucoup moins de déchets en volume que les centrales électriques à combustible fossile. Les centrales au charbon, en particulier, produisent de grandes quantités de cendres toxiques et légèrement radioactives résultant de la concentration de matières radioactives naturelles dans le charbon. Un rapport de 2008 du Laboratoire national d' Oak Ridge a conclu que l'énergie au charbon entraîne en fait plus de radioactivité dans l'environnement que l'exploitation de l'énergie nucléaire, et que l' équivalent de dose efficace pour la population du rayonnement des centrales au charbon est 100 fois supérieur à celui de l'exploitation des centrales nucléaires. Bien que les cendres de charbon soient beaucoup moins radioactives que le combustible nucléaire usé en poids, les cendres de charbon sont produites en quantités beaucoup plus élevées par unité d'énergie produite. Il est également rejeté directement dans l'environnement sous forme de cendres volantes , alors que les centrales nucléaires utilisent des blindages pour protéger l'environnement des matières radioactives.

Le volume des déchets nucléaires est faible par rapport à l'énergie produite. Par exemple, à la centrale nucléaire de Yankee Rowe , qui a généré 44 milliards de kilowattheures d'électricité lorsqu'elle est en service, son inventaire complet de combustible usé est contenu dans seize fûts. On estime que pour produire un approvisionnement énergétique à vie pour une personne ayant un niveau de vie occidental (environ 3 GWh ) il faudrait de l'ordre du volume d'une canette de soda d' uranium faiblement enrichi , ce qui donnerait un volume similaire de combustible usé . généré.

Traitement des déchets

Stockage des déchets radioactifs au WIPP
Les flacons de déchets nucléaires générés par les États-Unis pendant la guerre froide sont stockés sous terre à l' usine pilote d'isolement des déchets (WIPP) au Nouveau-Mexique . L'installation est considérée comme une démonstration potentielle pour le stockage du combustible usé des réacteurs civils.

Après un stockage intermédiaire dans une piscine de combustible irradié , les grappes d'assemblages de crayons de combustible usé d'une centrale nucléaire type sont souvent stockées sur place dans des cuves d' entreposage à sec . À l'heure actuelle, les déchets sont principalement stockés sur des sites de réacteurs individuels et il existe plus de 430 emplacements dans le monde où les matières radioactives continuent de s'accumuler.

L'élimination des déchets nucléaires est souvent considérée comme l'aspect le plus politiquement controversé du cycle de vie d'une centrale nucléaire. Avec l'absence de circulation des déchets nucléaires dans les réacteurs naturels à fission nucléaire d' Oklo , vieux de 2 milliards d'années , le Gabon étant cité comme "une source d'informations essentielles aujourd'hui". Les experts suggèrent que des dépôts souterrains centralisés, bien gérés, protégés et surveillés, constitueraient une grande amélioration. Il existe un « consensus international sur l'opportunité de stocker les déchets nucléaires dans des dépôts géologiques profonds ». Avec l'avènement de nouvelles technologies, d'autres méthodes, y compris le stockage par forage horizontal dans des zones géologiquement inactives, ont été proposées.

La plupart des emballages de déchets, la chimie expérimentale de recyclage du combustible à petite échelle et le raffinement radiopharmaceutique sont effectués dans des cellules chaudes télécommandées .

Il n'existe aucun dépôt de déchets de haute activité souterrain construit à cet effet à l'échelle commerciale. Cependant, en Finlande, le dépôt de combustible nucléaire usé d'Onkalo de la centrale nucléaire d'Olkiluoto est en construction depuis 2015.

Retraitement

La plupart des réacteurs à neutrons thermiques fonctionnent selon un cycle du combustible nucléaire à passage unique , principalement en raison du faible prix de l'uranium frais. Cependant, de nombreux réacteurs sont également alimentés avec des matières fissiles recyclées qui restent dans le combustible nucléaire usé. La matière fissile la plus courante qui est recyclée est le plutonium de qualité réacteur (RGPu) qui est extrait du combustible usé, il est mélangé à de l'oxyde d'uranium et transformé en combustible à oxyde mixte ou MOX . Les REO thermiques restant le réacteur le plus répandu dans le monde, ce type de recyclage est le plus répandu. On considère qu'elle augmente la durabilité du cycle du combustible nucléaire, réduit l'attrait du combustible usé pour le vol et diminue le volume de déchets nucléaires de haute activité. Le combustible MOX usé ne peut généralement pas être recyclé pour être utilisé dans des réacteurs à neutrons thermiques. Cette question n'affecte pas les réacteurs à neutrons rapides , qui sont donc préférés afin d'atteindre le plein potentiel énergétique de l'uranium d'origine.

Le principal constituant du combustible usé des REO est l'uranium légèrement enrichi . Celui-ci peut être recyclé en uranium de retraitement (RepU), qui peut être utilisé dans un réacteur à neutrons rapides, utilisé directement comme combustible dans les réacteurs CANDU , ou ré-enrichi pour un autre cycle via un REO. Le réenrichissement de l'uranium de retraitement est courant en France et en Russie. L'uranium retraité est également plus sûr en termes de potentiel de prolifération nucléaire.

Le retraitement a le potentiel de récupérer jusqu'à 95 % de l'uranium et du plutonium du combustible nucléaire usé, ainsi que de réduire la radioactivité à long terme dans les déchets restants. Cependant, le retraitement a été politiquement controversé en raison du potentiel de prolifération nucléaire et des perceptions variées de l'augmentation de la vulnérabilité au terrorisme nucléaire . Le retraitement entraîne également un coût du combustible plus élevé par rapport au cycle du combustible à passage unique. Si le retraitement réduit le volume des déchets de haute activité, il ne réduit pas les produits de fission qui sont les principales causes de génération de chaleur résiduelle et de radioactivité pendant les premiers siècles en dehors du réacteur. Ainsi, les déchets retraités nécessitent encore un traitement quasi identique pendant les premières centaines d'années.

Le retraitement du combustible civil des réacteurs de puissance se fait actuellement en France, au Royaume-Uni, en Russie, au Japon et en Inde. Aux États-Unis, le combustible nucléaire usé n'est actuellement pas retraité. L' usine de retraitement de La Hague en France est exploitée commercialement depuis 1976 et assure la moitié du retraitement dans le monde depuis 2010. Elle produit du combustible MOX à partir de combustibles usés provenant de plusieurs pays. Plus de 32 000 tonnes de combustible usé avaient été retraitées en 2015, dont la majorité provenait de France, 17 % d'Allemagne et 9 % du Japon.

Reproduction

Assemblages de combustible nucléaire inspectés avant d'entrer dans un réacteur à eau sous pression aux États-Unis.

La sélection est le processus de conversion de matières non fissiles en matières fissiles pouvant être utilisées comme combustible nucléaire. La matière non fissile pouvant être utilisée pour ce procédé est appelée matière fertile , et constitue la grande majorité des déchets nucléaires actuels. Ce processus de sélection se produit naturellement dans les réacteurs surgénérateurs . Contrairement aux réacteurs à neutrons thermiques à eau légère, qui utilisent de l'uranium 235 (0,7 % de l'uranium naturel), les surgénérateurs à neutrons rapides utilisent de l'uranium 238 (99,3 % de l'uranium naturel) ou du thorium. Un certain nombre de cycles du combustible et de combinaisons de réacteurs surgénérateurs sont considérés comme des sources d'énergie durables ou renouvelables. En 2006, on estimait qu'avec l'extraction d'eau de mer, il y avait probablement cinq milliards d'années de ressources en uranium à utiliser dans les réacteurs surgénérateurs.

La technologie du surgénérateur a été utilisée dans plusieurs réacteurs, mais à partir de 2006, le coût élevé du retraitement du combustible en toute sécurité nécessite des prix de l'uranium de plus de 200 $ US/kg avant de se justifier économiquement. Les surgénérateurs sont cependant développés pour leur potentiel à brûler tous les actinides (les composants les plus actifs et les plus dangereux) de l'inventaire actuel des déchets nucléaires, tout en produisant de l'électricité et en créant des quantités supplémentaires de combustible pour davantage de réacteurs via le processus de surgénération. En 2017, il existe deux surgénérateurs produisant de l'électricité commerciale, le réacteur BN-600 et le réacteur BN-800 , tous deux en Russie. Le surgénérateur Phénix en France a été arrêté en 2009 après 36 ans de fonctionnement. La Chine et l'Inde construisent des réacteurs surgénérateurs. Le réacteur indien prototype Fast Breeder de 500 MWe est en phase de mise en service et prévoit d'en construire davantage.

Une autre alternative aux surgénérateurs à neutrons rapides est constituée par les réacteurs surgénérateurs à neutrons thermiques qui utilisent l'uranium-233 issu du thorium comme combustible de fission dans le cycle du combustible au thorium . Le thorium est environ 3,5 fois plus répandu que l'uranium dans la croûte terrestre et présente des caractéristiques géographiques différentes. Le programme d'énergie nucléaire en trois étapes de l'Inde comprend l'utilisation d'un cycle du combustible au thorium dans la troisième étape, car il possède d'abondantes réserves de thorium mais peu d'uranium.

Démantèlement nucléaire

Le démantèlement nucléaire est le processus de démantèlement d'une installation nucléaire jusqu'à ce qu'il ne nécessite plus de mesures de radioprotection, remettant l'installation et ses parties à un niveau suffisamment sûr pour être confiées à d'autres utilisations. En raison de la présence de matières radioactives, le démantèlement nucléaire présente des défis techniques et économiques. Les coûts de démantèlement sont généralement étalés sur la durée de vie d'une installation et économisés dans un fonds de démantèlement.

Capacité installée et production d'électricité

Le statut de l'énergie nucléaire dans le monde (cliquez pour la légende)
Part de la production d'électricité d'origine nucléaire, 2015

Production mondiale d'électricité par source en 2018. La production totale était de 26,7 PWh .

  Charbon (38%)
  Gaz naturel (23%)
  Hydro (16%)
  Nucléaire (10 %)
  Vent (5%)
  Huile (3%)
  Solaire (2%)
  Biocarburants (2%)
  Autre (1%)

L'énergie nucléaire civile a fourni 2 586 térawattheures (TWh) d'électricité en 2019, soit environ 10 % de la production mondiale d'électricité , et était la deuxième plus grande source d' énergie à faible émission de carbone après l' hydroélectricité . L'électricité représentant environ 25 % de la consommation mondiale d'énergie , la contribution de l'énergie nucléaire à l'énergie mondiale était d'environ 2,5 % en 2011. C'est un peu plus que la production mondiale d'électricité combinée à partir de l'éolien, du solaire, de la biomasse et de la géothermie, qui ont fourni ensemble 2 % de la consommation mondiale d'énergie finale en 2014. La part de l'énergie nucléaire dans la production mondiale d'électricité est tombée de 16,5 % en 1997, en grande partie parce que l'économie de l'énergie nucléaire est devenue plus difficile.

En janvier 2021, il y avait 442 réacteurs à fission civils dans le monde , avec une capacité électrique combinée de 392 gigawatts (GW). Il y a également 53 réacteurs nucléaires en construction et 98 réacteurs prévus, d'une capacité combinée de 60 GW et 103 GW, respectivement. Les États-Unis possèdent le plus grand parc de réacteurs nucléaires, générant plus de 800 TWh par an avec un facteur de capacité moyen de 92 %. La plupart des réacteurs en construction sont des réacteurs de génération III en Asie.

Les différences régionales dans l'utilisation de l'énergie nucléaire sont importantes. Les États-Unis produisent le plus d'énergie nucléaire au monde, le nucléaire fournissant 20 % de l'électricité qu'ils consomment, tandis que la France produit le pourcentage le plus élevé de son énergie électrique à partir de réacteurs nucléaires – 71 % en 2019. Dans l' Union européenne , le nucléaire fournit 26% de l'électricité à partir de 2018. L'énergie nucléaire est la plus grande source d'électricité à faible émission de carbone aux États-Unis et représente les deux tiers de l' électricité à faible émission de carbone de l' Union européenne . La politique de l'énergie nucléaire diffère entre les pays de l'Union européenne, et certains, comme l'Autriche, l' Estonie , l'Irlande et l' Italie , n'ont pas de centrales nucléaires en activité.

En outre, il y avait environ 140 navires de guerre utilisant la propulsion nucléaire en fonctionnement, alimentés par environ 180 réacteurs. Il s'agit notamment de navires militaires et de certains navires civils, tels que les brise-glace à propulsion nucléaire .

La recherche internationale se poursuit sur d'autres utilisations de la chaleur industrielle telles que la production d'hydrogène (à l'appui d'une économie de l'hydrogène ), pour le dessalement de l'eau de mer et pour une utilisation dans les systèmes de chauffage urbain .

Économie

La centrale nucléaire d'Ikata , un réacteur à eau pressurisée qui refroidit en utilisant un échangeur de chaleur à liquide de refroidissement secondaire avec une grande masse d'eau, une approche de refroidissement alternative aux grandes tours de refroidissement .

L'économie des nouvelles centrales nucléaires est un sujet controversé, car les avis divergent sur ce sujet, et des investissements de plusieurs milliards de dollars dépendent du choix d'une source d'énergie. Les centrales nucléaires ont généralement des coûts d'investissement élevés pour la construction de la centrale, mais des coûts de combustible faibles. Pour cette raison, la comparaison avec d'autres méthodes de production d'électricité est fortement dépendante d'hypothèses sur les délais de construction et le financement en capital des centrales nucléaires. Le coût élevé de la construction est l'un des plus grands défis pour les centrales nucléaires. On estime qu'une nouvelle centrale de 1 100 MW coûte entre 6 et 9 milliards de dollars. Les tendances des coûts de l'énergie nucléaire montrent une grande disparité selon la nation, la conception, le taux de construction et l'établissement d'une familiarité dans l'expertise. Les deux seuls pays pour lesquels des données sont disponibles qui ont connu des baisses de coûts dans les années 2000 étaient l'Inde et la Corée du Sud.

L'analyse de l'économie de l'énergie nucléaire doit également prendre en compte qui supporte les risques d'incertitudes futures. En 2010, toutes les centrales nucléaires en exploitation ont été développées par des monopoles publics ou réglementés de services publics d'électricité . De nombreux pays ont depuis libéralisé le marché de l' électricité où ces risques, et le risque d'apparition de concurrents moins chers avant que les coûts d'investissement ne soient récupérés, sont supportés par les fournisseurs et les exploitants de centrales plutôt que par les consommateurs, ce qui conduit à une évaluation très différente de l'économie des nouvelles centrales nucléaires. les plantes.

Le coût actualisé de l'électricité d'une nouvelle centrale nucléaire est estimé à 69 USD/MWh, selon une analyse de l' Agence internationale de l'énergie et de l' Agence de l' OCDE pour l'énergie nucléaire . Cela représente l'estimation du coût médian d'une centrale nucléaire énième du genre devant être achevée en 2025, à un taux d'actualisation de 7 %. L'énergie nucléaire s'est avérée être l'option la moins coûteuse parmi les technologies distribuables . Les énergies renouvelables variables peuvent générer de l'électricité moins chère : le coût médian de l'énergie éolienne terrestre a été estimé à 50 USD/MWh, et l'énergie solaire à grande échelle à 56 USD/MWh. Au coût d'émission de CO 2 supposé de 30 USD par tonne, l'électricité à partir du charbon (88 USD/MWh) et du gaz (71 USD/MWh) est plus chère que les technologies bas carbone. L'électricité provenant de l'exploitation à long terme des centrales nucléaires par prolongation de la durée de vie s'est avérée être l'option la moins coûteuse, à 32 USD/MWh. Les mesures visant à atténuer le réchauffement climatique , telles qu'une taxe carbone ou un échange de droits d'émission de carbone , peuvent favoriser l'économie de l'énergie nucléaire.

Les nouveaux petits réacteurs modulaires , tels que ceux développés par NuScale Power , visent à réduire les coûts d'investissement pour les nouvelles constructions en rendant les réacteurs plus petits et modulaires, afin qu'ils puissent être construits en usine.

Certaines conceptions présentaient des avantages économiques précoces considérables, comme le CANDU , qui a réalisé un facteur de capacité et une fiabilité beaucoup plus élevés par rapport aux réacteurs à eau légère de génération II jusque dans les années 1990.

Les centrales nucléaires, bien que capables de suivre la charge du réseau , sont généralement exploitées autant que possible pour maintenir le coût de l'énergie électrique générée aussi bas que possible, fournissant principalement de l' électricité de base . En raison de la conception du réacteur de ravitaillement en ligne, les REPH (dont la conception CANDU fait partie) continuent de détenir de nombreux records mondiaux pour la production d'électricité continue la plus longue, souvent sur 800 jours. Le record spécifique à partir de 2019 est détenu par un PHWR à la centrale atomique de Kaiga , générant de l'électricité en continu pendant 962 jours.

Utilisation dans l'espace

Le générateur thermoélectrique à radio-isotopes multimissions (MMRTG), utilisé dans plusieurs missions spatiales telles que le rover Curiosity Mars

L'utilisation la plus courante de l'énergie nucléaire dans l'espace est l'utilisation de générateurs thermoélectriques à radio-isotopes , qui utilisent la désintégration radioactive pour produire de l'énergie. Ces groupes électrogènes sont à relativement petite échelle (quelques kW), et ils sont principalement utilisés pour alimenter des missions spatiales et des expériences pendant de longues périodes où l'énergie solaire n'est pas disponible en quantité suffisante, comme dans la sonde spatiale Voyager 2 . Quelques véhicules spatiaux ont été lancés à l' aide de réacteurs nucléaires : 34 réacteurs appartiennent à la série soviétique RORSAT et un était le SNAP-10A américain .

La fission et la fusion semblent toutes deux prometteuses pour les applications de propulsion spatiale , générant des vitesses de mission plus élevées avec une masse de réaction moindre .

Sécurité

Taux de mortalité dus à la pollution de l'air et aux accidents liés à la production d'énergie, mesurés en décès par térawattheure (TWh)
Décès par TWh par source d'énergie dans l'Union européenne

Les centrales nucléaires ont trois caractéristiques uniques qui affectent leur sécurité, par rapport aux autres centrales. Premièrement, des matières intensément radioactives sont présentes dans un réacteur nucléaire. Leur rejet dans l'environnement pourrait être dangereux. Deuxièmement, les produits de fission , qui constituent la plupart des substances intensément radioactives dans le réacteur, continuent de générer une quantité importante de chaleur de désintégration même après l' arrêt de la réaction de fission en chaîne . Si la chaleur ne peut pas être évacuée du réacteur, les barres de combustible peuvent surchauffer et libérer des matières radioactives. Troisièmement, un accident de criticité (augmentation rapide de la puissance du réacteur) est possible dans certaines conceptions de réacteurs si la réaction en chaîne ne peut pas être maîtrisée. Ces trois caractéristiques doivent être prises en compte lors de la conception des réacteurs nucléaires.

Tous les réacteurs modernes sont conçus de manière à empêcher une augmentation incontrôlée de la puissance du réacteur par des mécanismes de rétroaction naturelle, un concept connu sous le nom de coefficient de vide négatif de réactivité. Si la température ou la quantité de vapeur dans le réacteur augmente, le taux de fission diminue intrinsèquement. La réaction en chaîne peut également être arrêtée manuellement en insérant des barres de commande dans le cœur du réacteur. Les systèmes de refroidissement d'urgence du cœur (ECCS) peuvent éliminer la chaleur résiduelle du réacteur en cas de défaillance des systèmes de refroidissement normaux. En cas de défaillance de l'ECCS, de multiples barrières physiques limitent le rejet de matières radioactives dans l'environnement, même en cas d'accident. La dernière barrière physique est le grand bâtiment de confinement .

Avec un taux de mortalité de 0,07 par TWh , l'énergie nucléaire est la source d'énergie la plus sûre par unité d'énergie produite. L'énergie produite par le charbon, le pétrole, le gaz naturel et l' hydroélectricité a causé plus de décès par unité d'énergie produite en raison de la pollution de l'air et des accidents énergétiques . C'est ce que l'on constate lorsque l'on compare les décès immédiats dus à d'autres sources d'énergie aux décès indirects par cancer immédiats et latents, ou prédits, dus à des accidents nucléaires . Lorsque l'on compare les décès directs et indirects (y compris les décès résultant de l'exploitation minière et de la pollution atmosphérique) dus à l'énergie nucléaire et aux combustibles fossiles, l'utilisation de l'énergie nucléaire a été calculée pour avoir évité environ 1,8 million de décès entre 1971 et 2009, en réduisant la proportion d'énergie qui, autrement, aurait été produite par des combustibles fossiles. À la suite de la catastrophe nucléaire de Fukushima en 2011, il a été estimé que si le Japon n'avait jamais adopté l'énergie nucléaire, les accidents et la pollution provenant des centrales au charbon ou au gaz auraient causé plus d'années de vie perdues.

Les impacts graves des accidents nucléaires ne sont souvent pas directement attribuables à l'exposition aux rayonnements, mais plutôt à des effets sociaux et psychologiques. L'évacuation et le déplacement à long terme des populations touchées ont créé des problèmes pour de nombreuses personnes, en particulier les personnes âgées et les patients hospitalisés. L'évacuation forcée d'un accident nucléaire peut conduire à l'isolement social, à l'anxiété, à la dépression, à des problèmes médicaux psychosomatiques, à un comportement imprudent et au suicide. Une étude approfondie de 2005 sur les conséquences de la catastrophe de Tchernobyl a conclu que l'impact sur la santé mentale est le plus grand problème de santé publique causé par l'accident. Frank N. von Hippel , un scientifique américain, a commenté qu'une peur disproportionnée des rayonnements ionisants ( radiophobie ) pourrait avoir des effets psychologiques à long terme sur la population des zones contaminées suite à la catastrophe de Fukushima. En janvier 2015, le nombre d'évacués de Fukushima était d'environ 119 000, contre un pic d'environ 164 000 en juin 2012.

Accidents et attentats

Les accidents

À la suite de la catastrophe nucléaire de Fukushima Daiichi en 2011 , le pire accident nucléaire au monde depuis 1986, 50 000 foyers ont été déplacés à la suite de fuites de radiations dans l'air, le sol et la mer. Les contrôles radiologiques ont conduit à l'interdiction de certaines expéditions de légumes et de poisson.
Chaleur de désintégration du réacteur en tant que fraction de la pleine puissance après l'arrêt du réacteur, en utilisant deux corrélations différentes. Pour éliminer la chaleur de désintégration, les réacteurs doivent être refroidis après l'arrêt des réactions de fission. Une perte de la capacité d'éliminer la chaleur de désintégration a causé l' accident de Fukushima .

De graves accidents nucléaires et radiologiques se sont produits. La gravité des accidents nucléaires est généralement classée à l'aide de l' échelle internationale des événements nucléaires (INES) mise en place par l' Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA). L'échelle classe les événements anormaux ou les accidents sur une échelle de 0 (un écart par rapport au fonctionnement normal qui ne pose aucun risque pour la sécurité) à 7 (un accident majeur avec des effets étendus). Il y a eu 3 accidents de niveau 5 ou plus dans l'industrie nucléaire civile, dont deux, l' accident de Tchernobyl et l' accident de Fukushima , sont classés au niveau 7.

L'accident de Tchernobyl en 1986 a causé environ 50 décès par effets directs et indirects, et quelques blessures graves temporaires dues au syndrome d'irradiation aiguë . La mortalité future prévue due à l'augmentation des taux de cancer est estimée à environ 4000 dans les décennies à venir. L'accident nucléaire de Fukushima Daiichi a été causé par le tremblement de terre et le tsunami de Tohoku en 2011 . L'accident n'a causé aucun décès lié aux radiations, mais a entraîné une contamination radioactive des zones environnantes. La difficile opération de nettoyage devrait coûter des dizaines de milliards de dollars sur 40 ans ou plus. L' accident de Three Mile Island en 1979 était un accident à plus petite échelle, classé au niveau INES 5. Il n'y a eu aucun décès direct ou indirect causé par l'accident.

L'impact des accidents nucléaires est controversé. Selon Benjamin K. Sovacool , les accidents liés à l' énergie de fission se classaient au premier rang des sources d'énergie en termes de coût économique total, représentant 41 % de tous les dommages matériels attribués aux accidents liés à l'énergie. Une autre analyse a révélé que le charbon, le pétrole, le gaz de pétrole liquéfié et les accidents hydroélectriques (principalement dus à la catastrophe du barrage de Banqiao ) ont eu des impacts économiques plus importants que les accidents nucléaires. L'étude compare les décès par cancer latent attribuables au nucléaire avec les décès immédiats dus à d'autres sources d'énergie par unité d'énergie produite, et n'inclut pas le cancer lié aux combustibles fossiles et d'autres décès indirects créés par l'utilisation de la consommation de combustibles fossiles dans son « accident grave » (un (accident avec plus de 5 morts) classification.

L'énergie nucléaire fonctionne dans un cadre d' assurance qui limite ou structure la responsabilité en cas d'accident conformément aux conventions nationales et internationales. Il est souvent avancé que ce manque à gagner potentiel représente un coût externe non inclus dans le coût de l'électricité nucléaire. Ce coût est faible, s'élevant à environ 0,1% du coût actualisé de l'électricité , selon une étude du Congressional Budget Office aux États-Unis. Ces coûts d'assurance au-delà de la normale pour les pires scénarios ne sont pas propres à l'énergie nucléaire. Les centrales hydroélectriques ne sont pas non plus entièrement assurées contre un événement catastrophique tel que la rupture d'un barrage . Par exemple, la rupture du barrage de Banqiao a causé la mort d'environ 30 000 à 200 000 personnes, et 11 millions de personnes ont perdu leur maison. Comme les assureurs privés basent les primes d'assurance barrage sur des scénarios limités, l'assurance contre les catastrophes majeures dans ce secteur est également fournie par l'État.

Attaques et sabotages

Les terroristes pourraient cibler les centrales nucléaires pour tenter de libérer une contamination radioactive dans la communauté. La Commission américaine sur le 11 septembre a déclaré que les centrales nucléaires étaient des cibles potentielles initialement envisagées pour les attentats du 11 septembre 2001 . Une attaque contre la piscine de combustible usé d' un réacteur pourrait également être grave, car ces piscines sont moins protégées que le cœur du réacteur. La libération de radioactivité pourrait entraîner des milliers de décès à court terme et un plus grand nombre de décès à long terme.

Aux États-Unis, la NRC réalise des exercices « Force on Force » (FOF) sur tous les sites de centrales nucléaires au moins une fois tous les trois ans. Aux États-Unis, les plantes sont entourées d'une double rangée de hautes clôtures qui sont surveillées électroniquement. Les terrains de l'usine sont patrouillés par une force importante de gardes armés.

Le sabotage d'initiés est également une menace car les initiés peuvent observer et contourner les mesures de sécurité. Le succès des délits d'initiés dépendait de l'observation et de la connaissance par les auteurs des failles de sécurité. Un incendie a causé des dommages d'une valeur de 5 à 10 millions de dollars au Indian Point Energy Center de New York en 1971. L'incendiaire s'est avéré être un préposé à l'entretien de l'usine.

Prolifération nucléaire

Stocks d' armes nucléaires des États-Unis et de l' URSS /de la Russie , 1945-2006. Le programme Megatonnes to Megawatts a été le principal moteur de la forte réduction de la quantité d'armes nucléaires dans le monde depuis la fin de la guerre froide.

La prolifération nucléaire est la propagation d' armes nucléaires , de matières fissiles et de technologies nucléaires liées aux armes à des États qui ne possèdent pas déjà d'armes nucléaires. De nombreuses technologies et matériaux associés à la création d'un programme électronucléaire ont une capacité à double usage, en ce sens qu'ils peuvent également être utilisés pour fabriquer des armes nucléaires. Pour cette raison, l'énergie nucléaire présente des risques de prolifération.

Le programme d'énergie nucléaire peut devenir une voie menant à une arme nucléaire. Un exemple de ceci est l'inquiétude suscitée par le programme nucléaire de l'Iran . La réaffectation d'industries nucléaires civiles à des fins militaires constituerait une violation du traité de non-prolifération , auquel 190 pays adhèrent. En avril 2012, trente et un pays possédaient des centrales nucléaires civiles, dont neuf possédaient des armes nucléaires . La grande majorité de ces États dotés d'armes nucléaires ont produit des armes avant les centrales nucléaires commerciales.

Un objectif fondamental de la sécurité mondiale est de minimiser les risques de prolifération nucléaire associés à l'expansion de l'énergie nucléaire. Le Partenariat mondial pour l'énergie nucléaire était un effort international visant à créer un réseau de distribution dans lequel les pays en développement ayant besoin d'énergie recevraient du combustible nucléaire à un prix réduit, en échange de l'acceptation par cette nation de renoncer à son propre développement local d'un programme d'enrichissement d'uranium. Le consortium Eurodif / European Gaseous Diffusion Uranium Enrichment Consortium, basé en France, est un programme qui a mis en œuvre avec succès ce concept, l' Espagne et d'autres pays sans installations d'enrichissement achetant une part du combustible produit dans l'installation d'enrichissement sous contrôle français, mais sans transfert de technologie. . L'Iran a été un des premiers participants à partir de 1974 et reste actionnaire d'Eurodif via Sofidif .

Un rapport des Nations Unies de 2009 a déclaré que :

le regain d'intérêt pour l'électronucléaire pourrait se traduire par la diffusion mondiale de technologies d'enrichissement de l'uranium et de retraitement des combustibles usés, qui présentent des risques évidents de prolifération car ces technologies peuvent produire des matières fissiles directement utilisables dans les armes nucléaires.

D'un autre côté, les réacteurs de puissance peuvent également réduire les arsenaux d'armes nucléaires lorsque des matières nucléaires de qualité militaire sont retraitées pour être utilisées comme combustible dans les centrales nucléaires. Le programme Megatons to Megawatts est considéré comme le programme de non-prolifération le plus réussi à ce jour. Jusqu'en 2005, le programme avait transformé 8 milliards de dollars d'uranium hautement enrichi de qualité militaire en uranium faiblement enrichi convenant comme combustible nucléaire pour les réacteurs à fission commerciaux en le diluant avec de l'uranium naturel . Cela correspond à l'élimination de 10 000 armes nucléaires. Pendant environ deux décennies, ce matériau a généré près de 10 % de toute l'électricité consommée aux États-Unis, soit environ la moitié de toute l'électricité nucléaire américaine, avec un total d'environ 7 000 TWh d'électricité produite. Au total, on estime qu'il a coûté 17 milliards de dollars, une « aubaine pour les contribuables américains », la Russie profitant de 12 milliards de dollars de l'accord. Des bénéfices bien nécessaires pour l'industrie de surveillance nucléaire russe, qui, après l'effondrement de l' économie soviétique , a eu des difficultés à payer pour l'entretien et la sécurité de l'uranium hautement enrichi et des ogives de la Fédération de Russie. Le programme Megatons to Megawatts a été salué comme un succès majeur par les défenseurs des armes anti-nucléaires, car il a été en grande partie le moteur de la forte réduction du nombre d'armes nucléaires dans le monde depuis la fin de la guerre froide. Cependant, sans une augmentation des réacteurs nucléaires et une demande accrue de combustible fissile, le coût du démantèlement et du down blending a dissuadé la Russie de poursuivre son désarmement. En 2013, la Russie ne semble pas intéressée à étendre le programme.

Impact environnemental

Émission de dioxyde de carbone

Émissions de gaz à effet de serre sur le cycle de vie des technologies de fourniture d'électricité, valeurs médianes calculées par le GIEC

L' énergie nucléaire est l' une des principales méthodes de production d' électricité à faible émission de carbone , et en termes d' émissions totales de gaz à effet de serre sur le cycle de vie par unité d' énergie produite , elle a des valeurs d' émissions comparables ou inférieures à celles des énergies renouvelables . Une analyse de 2014 de la littérature sur l' empreinte carbone par le Groupe d'experts intergouvernemental sur l' évolution du climat (GIEC) a indiqué que l' intensité des émissions totales incorporées du cycle de vie de l'énergie nucléaire a une valeur médiane de 12 g de CO
2
eq / kWh , qui est la plus faible parmi toutes les sources d'énergie commerciales de base . Ceci est en contraste avec le charbon et le gaz naturel à 820 et 490 g de CO
2
éq/kWh. Depuis le début de sa commercialisation dans les années 1970, l'énergie nucléaire a permis d'éviter l'émission d'environ 64 milliards de tonnes d' équivalent dioxyde de carbone qui auraient autrement résulté de la combustion de combustibles fossiles dans les centrales thermiques .

Radiation

La dose moyenne de rayonnement de fond naturel est de 2,4 millisieverts par an (mSv/a) dans le monde. Elle varie entre 1 mSv/a et 13 mSv/a, en fonction principalement de la géologie du lieu. Selon les Nations Unies ( UNSCEAR ), l'exploitation régulière des centrales nucléaires, y compris le cycle du combustible nucléaire, augmente ce montant de 0,0002 mSv/a d'exposition publique en moyenne mondiale. La dose moyenne des centrales nucléaires en fonctionnement aux populations riveraines est inférieure à 0,0001 mSv/a. À titre de comparaison, la dose moyenne pour les personnes vivant à moins de 50 milles d'une centrale électrique au charbon est plus de trois fois cette dose, à 0,0003 mSv/a.

Tchernobyl a fait en sorte que les populations environnantes les plus touchées et le personnel de récupération masculin ont reçu une moyenne initiale de 50 à 100 mSv sur quelques heures à quelques semaines, tandis que l'héritage mondial restant du pire accident de centrale nucléaire en exposition moyenne est de 0,002 mSv/a et est continuellement chute au taux de décroissement, depuis le sommet initial de 0,04 mSv par personne en moyenne sur l'ensemble de la population de l'hémisphère nord l'année de l'accident en 1986.

Débat sur le nucléaire

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Le débat sur l'énergie nucléaire concerne la controverse qui a entouré le déploiement et l'utilisation de réacteurs nucléaires à fission pour produire de l'électricité à partir de combustible nucléaire à des fins civiles.

Les partisans de l'énergie nucléaire la considèrent comme une source d' énergie durable qui réduit les émissions de carbone et augmente la sécurité énergétique en diminuant la dépendance vis-à-vis des sources d'énergie importées. M. King Hubbert , qui a popularisé le concept de pic pétrolier , considérait le pétrole comme une ressource qui allait s'épuiser et considérait l'énergie nucléaire comme son remplacement. Les partisans affirment également que la quantité actuelle de déchets nucléaires est faible et peut être réduite grâce à la dernière technologie des réacteurs plus récents et que le dossier de sécurité opérationnelle de l'électricité de fission est sans précédent. D'autres commentateurs qui se sont interrogés sur les liens entre le mouvement antinucléaire et l'industrie des combustibles fossiles.

Kharecha et Hansen ont estimé que « l'énergie nucléaire mondiale a évité en moyenne 1,84 million de décès liés à la pollution de l'air et 64 gigatonnes d' émissions de gaz à effet de serre (GES) équivalent CO 2 (GtCO 2 éq) qui auraient résulté de la combustion de combustibles fossiles » et, s'il se poursuit, il pourrait éviter jusqu'à 7 millions de décès et 240 GtCO 2 -eq d' émissions d'ici 2050.

Les opposants pensent que l'énergie nucléaire pose de nombreuses menaces pour les personnes et l'environnement, telles que le risque de prolifération des armes nucléaires et de terrorisme. Ils soutiennent également que les réacteurs sont des machines complexes où beaucoup de choses peuvent mal tourner. Au cours des années passées, ils ont également soutenu que lorsque toutes les étapes énergivores de la chaîne du combustible nucléaire sont prises en compte, de l'extraction de l'uranium au démantèlement nucléaire, l'énergie nucléaire n'est ni une source d'électricité à faible émission de carbone ni une source d'électricité économique.

Les arguments d'économie et de sécurité sont utilisés par les deux côtés du débat.

Comparaison avec les énergies renouvelables

Ralentir le réchauffement climatique nécessite une transition vers une économie à faibles émissions de carbone , principalement en brûlant beaucoup moins de combustibles fossiles . Limiter le réchauffement climatique à 1,5 °C est techniquement possible si aucune nouvelle centrale électrique à combustibles fossiles n'est construite à partir de 2019. Cela a suscité un intérêt et des différends considérables pour déterminer la meilleure voie à suivre pour remplacer rapidement les combustibles fossiles dans le bouquet énergétique mondial , avec une intense débat académique. Parfois, l'AIE dit que les pays sans nucléaire devraient le développer ainsi que leur énergie renouvelable.

Approvisionnement mondial total en énergie primaire de 162 494 TWh (ou 13 792 Mtep ) par combustibles en 2017 (AIE, 2019)

  Pétrole (32 %)
  Charbon/tourbe/schiste (27,1 %)
  Gaz naturel (22,2 %)
  Biocarburants et déchets (9,5%)
  Nucléaire (4,9%)
  Hydro (2,5%)
  Autres ( Renouvelables ) (1,8%)
Le croiseur lance-missiles USS Monterey (CG 61) reçoit du carburant en mer (FAS) du porte-avions de classe Nimitz USS George Washington (CVN 73).

Plusieurs études suggèrent qu'il serait théoriquement possible de couvrir une majorité de la production mondiale d'énergie avec de nouvelles sources renouvelables. Le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) a déclaré que si les gouvernements étaient favorables, l'approvisionnement en énergie renouvelable pourrait représenter près de 80 % de la consommation mondiale d'énergie d'ici 2050. Alors que dans les pays développés, la géographie économiquement réalisable pour la nouvelle hydroélectricité fait défaut, avec chaque zone géographiquement appropriée en grande partie déjà exploitée, les partisans de l'énergie éolienne et solaire prétendent que ces ressources à elles seules pourraient éliminer le besoin d'énergie nucléaire.

L'énergie nucléaire est comparable, et dans certains cas inférieure, à de nombreuses sources d'énergie renouvelables en termes de vies perdues par unité d'électricité livrée. Les réacteurs nucléaires produisent également un volume beaucoup plus faible de déchets, bien que beaucoup plus toxiques. Une centrale nucléaire doit également être démontée et retirée et une grande partie de la centrale nucléaire démontée doit être stockée en tant que déchets nucléaires de faible activité pendant quelques décennies.

Vitesse de transition et investissement nécessaires

Une analyse réalisée en 2015 par le professeur Barry W. Brook et ses collègues a révélé que l'énergie nucléaire pourrait déplacer ou éliminer complètement les combustibles fossiles du réseau électrique d'ici 10 ans. Ce constat s'appuyait sur le rythme historiquement modeste et avéré d'apport d'énergie nucléaire en France et en Suède lors de leurs programmes de construction dans les années 1980.

Dans une analyse similaire, Brook avait précédemment déterminé que 50 % de toute l'énergie mondiale , y compris les carburants synthétiques pour le transport , etc., pourraient être générés dans un délai d'environ 30 ans si le taux de construction de la fission nucléaire mondiale était identique aux taux d'installation prouvés historiques calculés en GW par an. par unité de PIB mondial (GW/an/$). Ceci contraste avec les études conceptuelles pour les systèmes d' énergies 100 % renouvelables , qui nécessiteraient des ordres de grandeur d'investissements mondiaux plus coûteux par an, ce qui n'a pas de précédent historique. Ces scénarios renouvelables nécessiteraient également beaucoup plus de terres consacrées aux projets éoliens, houlomoteurs et solaires, et l'hypothèse inhérente que la consommation d'énergie diminuera à l'avenir. Comme le note Brook, les « principales limites de la fission nucléaire ne sont pas techniques, économiques ou liées au combustible, mais sont plutôt liées à des problèmes complexes d'acceptation sociétale, d'inertie fiscale et politique et d'une évaluation critique inadéquate des contraintes du monde réel auxquelles autres] alternatives à faible émission de carbone.

Besoins saisonniers de stockage d'énergie

Certains analystes soutiennent que les sources d'énergie renouvelables conventionnelles, éolienne et solaire, n'offrent pas l'évolutivité nécessaire à une décarbonisation à grande échelle du réseau électrique, principalement en raison de considérations liées à l' intermittence . Une analyse de 2018 du MIT a fait valoir que, pour être beaucoup plus rentables à l'approche d'une décarbonisation profonde , les systèmes électriques devraient intégrer les ressources de base à faible émission de carbone, telles que le nucléaire, avec les énergies renouvelables, le stockage et la réponse à la demande.

Dans certains endroits qui visent à éliminer progressivement les combustibles fossiles au profit d' une énergie à faible émission de carbone , comme le Royaume-Uni , le stockage saisonnier de l'énergie est difficile à fournir. À partir de 2019, la question de savoir si les interconnexions ou le nouveau nucléaire coûteraient plus cher que de prendre des énergies renouvelables à plus de 60 % fait toujours l'objet de recherches et de débats.

L'utilisation des terres

Les centrales nucléaires nécessitent environ un kilomètre carré de terrain par réacteur type. Les écologistes et les écologistes ont commencé à remettre en question les propositions d'expansion mondiale des énergies renouvelables, car ils s'opposent à l'utilisation souvent controversée de terres autrefois boisées pour situer les systèmes d'énergie renouvelable. Soixante-quinze écologistes universitaires ont signé une lettre, suggérant une politique plus efficace pour atténuer le changement climatique impliquant le reboisement de cette terre proposée pour la production d'énergie renouvelable, à son paysage naturel antérieur , au moyen des arbres indigènes qui l'habitaient auparavant, en tandem avec le la réduction de l'empreinte écologique de l'énergie nucléaire, comme moyen d'assurer à la fois l'engagement à réduire les émissions de carbone et à réussir les programmes de réensauvagement du paysage qui font partie des initiatives mondiales de protection et de réintroduction des espèces indigènes.

Ces scientifiques soutiennent que les engagements du gouvernement à augmenter l'utilisation des énergies renouvelables tout en s'engageant simultanément à étendre les zones de conservation biologique sont deux résultats concurrents en matière d'utilisation des terres, en opposition l'un avec l'autre, qui entrent de plus en plus en conflit. Les zones protégées existantes pour la conservation étant actuellement considérées comme insuffisantes pour sauvegarder la biodiversité, "le conflit d'espace entre la production d'énergie et l'habitat restera l'un des futurs problèmes de conservation clés à résoudre".

Recherche

Conceptions avancées de réacteurs à fission

Feuille de route Génération IV du Laboratoire National d'Argonne

Les réacteurs à fission actuellement en service dans le monde sont des systèmes de deuxième ou de troisième génération , la plupart des systèmes de première génération ayant déjà été retirés. La recherche sur les types de réacteurs avancés de génération IV a été officiellement lancée par le Forum international de génération IV (GIF) sur la base de huit objectifs technologiques, notamment l'amélioration de l'économie, de la sécurité, de la résistance à la prolifération, de l'utilisation des ressources naturelles et de la capacité de consommer les déchets nucléaires existants dans la production de électricité. La plupart de ces réacteurs diffèrent considérablement des réacteurs à eau légère actuellement en service et devraient être disponibles pour la construction commerciale après 2030.

Fusion nucléaire hybride-fission

L'énergie nucléaire hybride est un moyen proposé de produire de l'énergie en utilisant une combinaison de processus de fusion et de fission nucléaires. Le concept date des années 1950 et a été brièvement préconisé par Hans Bethe au cours des années 1970, mais est resté largement inexploré jusqu'à un regain d'intérêt en 2009, en raison de retards dans la réalisation de la fusion pure. Lorsqu'une centrale à fusion nucléaire soutenue est construite, elle a le potentiel d'être capable d'extraire toute l'énergie de fission qui reste dans le combustible de fission usé, de réduire le volume de déchets nucléaires de plusieurs ordres de grandeur et, plus important encore, d'éliminer tous les actinides présents dans le combustible usé, substances qui posent des problèmes de sécurité.

La fusion nucléaire

Schéma du tokamak ITER en construction en France.

Les réactions de fusion nucléaire ont le potentiel d'être plus sûres et de générer moins de déchets radioactifs que la fission. Ces réactions semblent potentiellement viables, bien que techniquement assez difficiles et doivent encore être créées à une échelle qui pourrait être utilisée dans une centrale électrique fonctionnelle. L'énergie de fusion fait l'objet d'études théoriques et expérimentales depuis les années 1950.

Plusieurs réacteurs et installations de fusion nucléaire expérimentaux existent. Le projet international de fusion nucléaire le plus important et le plus ambitieux actuellement en cours est ITER , un grand tokamak en construction en France. ITER devrait ouvrir la voie à l'énergie de fusion commerciale en démontrant des réactions de fusion nucléaire auto-entretenues avec un gain d'énergie positif. La construction de l'installation ITER a commencé en 2007, mais le projet a connu de nombreux retards et dépassements de budget. L'installation ne devrait maintenant pas commencer ses opérations avant l'année 2027-11 ans après initialement prévu. Une suite à la centrale nucléaire commerciale de fusion, DEMO , a été proposée. Il existe également des suggestions pour une centrale basée sur une approche de fusion différente, celle d'une centrale à fusion inertielle .

On pensait initialement que la production d'électricité par fusion était facilement réalisable, comme l'avait été l'énergie électrique à fission. Cependant, les exigences extrêmes pour les réactions continues et le confinement du plasma ont conduit à des projections prolongées de plusieurs décennies. En 2010, plus de 60 ans après les premières tentatives, la production commerciale d'électricité était encore considérée comme improbable avant 2050.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

Liens externes