L’énergie nucléaire est aujourd’hui produite exclusivement à partir de la fission de l’Uranium ou du Plutonium. C’est Otto Hahn et Fritz Strassmann qui ont découvert en 1938 que l’uranium avait des propriétés très particulières lorsqu’il était soumis à un flux de neutrons. Lise Meitner et Otto Frisch firent les premiers une analyse correcte du phénomène : la fission du noyau de l’uranium en deux atomes plus légers.

Cette réaction de fission est un phénomène de radioactivité induite. Elle nécessite l’apport d’un neutron. Une quantité importante d’énergie est libérée lors de la fission, de l’ordre de 200 MeV pour un noyau d’uranium 235. Elle est due à la différence entre la masse du noyau de l’uranium et la somme des masses des noyaux produits (E = mc²). Elle se retrouve dans l’énergie cinétique des noyaux nouvellement formés et dans celle des neutrons (et éventuellement sous la forme d’un rayon gamma).

Remarque : Il existe une forme spontanée de fission mais elle se produit de manière aléatoire avec une constante de temps qui peut être très longue.

Les neutrons produits par la fission sont des neutrons rapides. La plupart du temps, ils sont simplement diffusés par les noyaux qu’ils rencontrent sur leur chemin et s’échappent avant de se désintégrer (la durée de vie d’un neutron en dehors d’un noyau est de 888 secondes). La probabilité qu’ils interagissent avec un autre noyau d’uranium et provoquent sa fission dépend fortement de leur énergie cinétique. Elle est plus de 200 fois plus faible lorsque l’énergie cinétique des neutrons est de 2 MeV (juste après fission) par rapport à celle d’un neutron lent, simplement soumis à l’agitation thermique ambiante.

Par contre, lorsque la masse d’uranium (ou de plutonium) dépasse une certaine masse critique, les diffusions successives des neutrons sur les noyaux avoisinants sont suffisantes pour les ralentir. D’autres noyaux fissionnent à leur tour, produisant de nouveaux neutrons qui à leur tour sont ralentis… Le processus s’emballe : La totalité de la masse d’uranium (ou de plutonium) fusionne en une fraction de seconde en libérant une énergie colossale. C’est ce type de réaction en chaîne qui est exploité dans les bombes nucléaires dite « bombes A ». La première bombe A a explosé le 16 juillet 1945 à Alamogordo au Nouveau Mexique (projet Manhattan). Le 6 août 1945, les Etats-Unis procédaient au bombardement d’Hiroshima, puis le 9 août à celui de Nagasaki, entraînant la capitulation du Japon quelques jours plus tard.

Principe de fonctionnement des centrales nucléaires

Dans une centrale nucléaire on cherche à entretenir la réaction en évitant que le processus diverge. Pour entretenir la réaction, il faut ralentir les neutrons. On utilise pour cela de l’eau (ordinaire ou eau lourde : oxyde de deutérium D₂O). Pour éviter la divergence, une partie des neutrons est capturée grâce à des barres de cadmium ou de carbure de bore.

Le cœur de la centrale nucléaire est le réacteur dans lequel se trouve le combustible uranium sous forme de barres plongées dans une « piscine » pressurisée (la pressurisation est nécessaire pour maintenir l’eau à l’état liquide). L’eau sert également de fluide caloporteur pour récupérer l’énergie produite. Des pompes la font circuler vers des générateurs de vapeur, vapeur qui entraîne les turboalternateurs générant l’électricité. La régulation est assurée en faisant varier le degré d’immersion des barres (barres d’uranium et barres de cadmium ou de carbure de bore).

Déchets radioactifs

Le combustible usé est composé à 95% d’uranium appauvri (qui peut être retraité et « enrichi »), 1% de plutonium et 5% d’autres produits radioactifs. Ce sont ces produits auxquels on donne le nom de déchets radioactifs : césium 134, strontium et ytterbium 90, étain 126, zirconium 93, ainsi que des actinides comme l’américium 241 ou 243, le curium 244 ou le neptunium 237. On estime à 70 t la production de déchets radioactifs par an dans le monde.

La majeure partie de ces déchets a une faible activité radioactive. Ceux qui posent problème sont les déchets à forte activité radioactive (supérieure à un million de Becquerel par gramme, voire même un milliard pour les plus actifs) ou à durée de vie longue (supérieure à 31 ans selon la norme). Le césium, par exemple, a une demi-vie un peu supérieure à la limite alors que celle du neptunium est de 2,14 millions d’années.

D’autres déchets sont produits lors de l’extraction de l’uranium, du traitement des minerais ou du retraitement de l’uranium.

Les centrales nucléaires en France

Il y a 52 réacteurs nucléaires d’une puissance comprise entre 900 MW et 1450 MW en cours d’exploitation en France et 6 en cours de démantèlement. Ces réacteurs produisent un peu plus de 400 TWh par an, soit près de 75% de la production totale d’électricité. Presque tous ces réacteurs ont été mis en service avant 1992 : seuls 5 l’ont été ultérieurement, dont 4 après 2000. 19 d’entre eux ont été mis en service avant 1981.

Le combustible usé est retraité dans une usine à la Hague : séparation des déchets et de l’uranium et du plutonium, vitrification des déchets de haute activité, conditionnement des autres déchets, purification, conditionnement et stockage de l’uranium et du plutonium.

La fusion nucléaire est un autre procédé de production de l’énergie totalement différent. La fusion vise en effet à utiliser l’énergie produite lors de la fusion d’un noyau de deutérium et d’un noyau de tritium pour donner un noyau d’hélium. L’énergie produite est considérable… mais les conditions à réunir sont particulièrement contraignantes en termes de pression et de température. Plusieurs projets expérimentaux sont en cours de développement. Le projet international ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) utilise un dispositif appelé tokamak pour confiner un faisceau de plasma à très haute température. Le projet Wendelstein 7X utilise de son côté un stellarator. Aujourd’hui, tous les projets en sont dans une phase qui consiste à tenter de maintenir un plasma à 100 millions de degrés le plus longtemps possible. Le record est détenu par le projet chinois EAST (100 secondes). Les premières applications industrielles ne sont pas attendues avant 2050.

La fusion nucléaire ne produit pas de déchets radioactifs.