L'énergie nucléaire

I. Introduction

Les quantités d'énergie produites par une réaction nucléaire, faisant intervenir les nucléons (protons et neutrons), sont cent mille fois supérieures à celles libérées par des réactions chimiques classiques, qui impliquent le cortège électronique des atomes.

On distingue la fission nucléaire, division d'un noyau atomique lourd en deux fragments plus légers, et la fusion nucléaire, association de deux noyaux légers qui conduit à la formation d'un noyau plus lourd. Ces deux types de réactions libèrent une importante quantité d'énergie. Des réactions de fusion nucléaire se produisent dans les étoiles à des températures très élevées ; cependant sur Terre, malgré les nombreuses recherches menées sur la production d'énergie thermonucléaire, les scientifiques ne sont pas encore parvenus à réaliser artificiellement des réactions de fusion contrôlées. Fusion et fission nucléaires sont utilisées dans la fabrication d'armes nucléaires. Parallèlement, on exploite industriellement la fission dans les centrales nucléaires comme source d'énergie électrique ; on parle alors d'énergie électronucléaire.

II. Fission nucléaire

Les deux principales caractéristiques de la fission sont d'une part une grande libération d'énergie, et d'autre part l'existence d'une réaction en chaîne. L'uranium-235 (noté 235U) est le seul élément naturel à pouvoir subir une fission par bombardement de neutrons dans les réacteurs nucléaires. L'absorption d'un neutron par un noyau d'uranium-235 — appelé combustible nucléaire — conduit à sa fragmentation en deux noyaux fils avec libération de neutrons. Différents scénarios de fragmentation sont possibles : par exemple, la fragmentation en un noyau de strontium-94 et un noyau de xénon-140 avec libération de deux neutrons ; ou encore la fragmentation en un noyau d'yttrium-95 et un noyau d'iode-138 avec libération de trois neutrons, etc. Les différentes réactions de fission possibles libèrent en moyenne 2,5 neutrons par noyau d'uranium, qui induisent ensuite la fission de plusieurs autres atomes, libérant à leur tour des neutrons supplémentaires qui initient des fissions nucléaires auto-entretenues, ou réactions en chaîne. Ainsi la fission d'un noyau d'uranium libère une énergie approximativement égale à 200 MeV, répartie entre photons gamma et énergie cinétique des fragments, neutrons et autres particules générées par la radioactivité des fragments.
L'uranium-238 (238U) n'est pas fissile, mais il est fertile : il absorbe un neutron lors du bombardement et se transforme en uranium-239 (239U). Ce dernier se désintègre par radioactivité en neptunium-239, lui-même émetteur qui transmute en plutonium-239. L'intérêt du plutonium-239 est double : d'une part il est fissile, mais surtout il entre dans la composition des armes nucléaires.
L'uranium naturel ne contient que 0,7 p. 100 d'uranium-235, le reste étant composé d'uranium-238, non fissible, c'est-à-dire ne pouvant subir de fission par absorption d'un neutron de faible énergie. Ainsi, quelle que soit la quantité d'uranium naturel, celui-ci ne peut être le siège d'une réaction en chaîne. C'est pourquoi l'uranium naturel est enrichi en uranium-235 avant d'être utilisé dans les centrales nucléaires. D'autre part, la probabilité qu'un neutron produit par fission et d'énergie initiale de 1 MeV induise lui-même une fission est relativement faible. Elle peut néanmoins être augmentée des centaines de fois en ralentissant ce neutron par des collisions élastiques avec un modérateur constitué de noyaux légers comme l'hydrogène, le deutérium ou le carbone.
Ce processus est à la base du principe de fonctionnement des réacteurs produisant de l'énergie par fission. Pour produire de l'énergie nucléaire, on utilise surtout l'uranium-235, éventuellement le thorium. La fission d'un kilogramme d'uranium libère autant d'énergie que la combustion de 2 500 tonnes de charbon ou de 2 000 tonnes de pétrole.

III. Fusion contrôlée

L'une des réactions les plus étudiées dans les laboratoires de recherche consiste en la fusion d'un noyau de deutérium (hydrogène-2) et d'un noyau de tritium (hydrogène-3) pour former un noyau d'hélium-4 avec libération d'un neutron. Chaque noyau d'hélium formé libère une énergie de 17,6 MeV. Pour que cette réaction ait lieu, il faut accélérer les noyaux initiaux et les faire entrer en collision. L'énergie doit être suffisante pour surmonter la répulsion électrostatique entre les noyaux, et les amener au contact ; l'énergie nécessaire est de quelques centaines de keV. En laboratoire, cette réaction est facile à réaliser. En revanche, à l'échelle d'un réacteur nucléaire, le problème est de communiquer de l'énergie aux noyaux tout en les maintenant localisés. Pour cela, il faut confiner le milieu. Les deux techniques à l'étude sont le confinement inertiel, où le mélange isotopique est enfermé dans une bille en verre et l'énergie de démarrage est fournie par un tir laser de très haute intensité ; et le confinement magnétique, réalisé dans des réacteurs Tokamaks, où le plasma est confiné au centre d'un tore par des champs magnétiques intenses, l'énergie initiale étant fournie par une élévation de la température.

L'intérêt de la fusion contrôlée est double : d'une part, le deutérium est abondant dans la nature (eau lourde des océans) et le tritium peut être facilement obtenu à partir du lithium (dont le minerai est également abondant) ; ainsi les réserves énergétiques estimées pour la fusion couvriraient nos besoins sur des millénaires ; d'autre part, cette forme d'énergie est non polluante, les produits résultant des fusions contrôlées n'étant pas radioactifs.

IV. Électricité nucléaire

Dans les années cinquante, on prévoyait que l'énergie nucléaire allait fournir une énergie électrique abondante et peu onéreuse. Les industries consommatrices d'énergie espèrent alors que le nucléaire va remplacer les combustibles fossiles (pétrole, charbon, gaz naturel) de plus en plus rares et surtout abaisser le coût de l'électricité. En outre, l'opinion publique est plutôt favorable à cette nouvelle source d'énergie. Cependant, des réserves sont progressivement émises concernant la sûreté des sites nucléaires et la prolifération des armes atomiques. De nombreux mouvements s'opposent alors au nucléaire et les réglementations gouvernementales deviennent complexes et strictes. La Suède, par exemple, annonce son intention de limiter son programme à environ dix réacteurs, tandis que l'Autriche arrête littéralement le sien. À l'inverse, la France, le Royaume-Uni, les États-Unis, la Corée du Sud et le Japon développent le nucléaire de façon intensive. En 1995, près de 76 p. 100 de l'électricité produite en France est d'origine nucléaire, contre 26,4 p. 100 au Royaume-Uni, 33 p. 100 au Japon et 22,5 p. 100 aux États-Unis. La France a exporté 60 milliards de kWh d'énergie électronucléaire en 1994, ce qui portait EDF au deuxième rang des exportateurs français.

Actuellement, tous les programmes électronucléaires dans le monde marquent le pas. Le souvenir de l'accident de Tchernobyl, dont les conséquences désastreuses sont toujours d'actualité, est encore bien gravé dans la mémoire collective. En outre, les nombreux incidents survenus à divers niveaux de la chaîne de production électronucléaire (centrales nucléaires, sites de retraitement des déchets nucléaires, usines de fabrication des crayons combustibles, etc.) contribuent à alimenter la peur du nucléaire civil. À long terme, le nucléaire civil pourrait connaître une nouvelle phase de développement sous l'effet conjugué d'une demande d'énergie toujours croissante et de la nécessité de réduire la pollution atmosphérique, notamment les émissions de gaz à effet de serre.