Le nucléaire pour produire de l’électricité

Article niveau fin de collège 👽👽👽

Tu sais que les questions d’environnement et d’écologie sont particulièrement d’actualité ! On en parle de plus en plus, et c’est bien logique, car les problèmes comme celui du réchauffement climatique, de la pollution, de l’épuisement des ressources et de la perte de biodiversité (de plus en plus d’espèces disparaissent) sont bien réels.
Nous avions consacré plusieurs billets à ces sujets-là. Si tu veux relire notre dossier « spécial climat », c’est ici et quelques expériences là.

Sais-tu que beaucoup de scientifiques, en particulier ceux qui étudient le climat, son dérèglement, ses conséquences et les solutions pour réduire notre impact, décrivent la production électrique par la voie du nucléaire comme une piste sérieuse à suivre ?

En effet, une part importante des Gaz à Effet de Serre (GES – des gaz qui retiennent la chaleur de la Terre) vient de la combustion de charbon, de fuel (dérivé du pétrole) ou de gaz qui se produit dans des chaudières pour la production électrique ou pour fabriquer de la vapeur.
La France est un cas particulier par rapport aux autres pays, puisqu’elle produit son électricité essentiellement à partir du nucléaire : on compte actuellement 58 réacteurs répartis sur 19 sites. Or, ce procédé génère peu d’émissions de CO₂ par rapport à la quantité d’énergie produite.

Pourquoi et comment ça marche ? C’est ce que nous allons t’expliquer aujourd’hui.

La voie du nucléaire pour réduire les émissions de CO₂

Pour produire de l’électricité en grande quantité, en s’adaptant aux besoins,  sans émettre de CO₂, le nucléaire reste l’option la plus efficace. L’électricité d’origine nucléaire est bien considérée comme n’émettant pas de gaz à effet de serre par les experts (notamment le GIEC, le Groupe International d’Experts sur le Climat). Enfin, il en émet très peu par rapport à la quantité d’énergie produite. On mesure cela en parlant en g/kWh* (en grammes par kilowattheure produit).
* le kWh est défini sous le schéma un peu plus bas.

Les émissions de CO₂ sont de l’ordre de 12 g/kWh en incluant tout le cycle de vie de la centrale nucléaire contre 900-1000 g/kWh pour une centrale thermique au charbon  (là où on brûle du charbon) et 45 g/kWh pour la technologie du photovoltaïque (les panneaux solaires que tu vois sur les toits). Précision importante : ces chiffres tiennent compte de l’ensemble du cycle de vie, c’est-à-dire qu’on considère toute la chaîne depuis l’extraction des matières premières, le transport, la construction de l’installation, son fonctionnement, la déconstruction et la gestion des déchets.

En France, c’est même encore un peu plus bas que la valeur de 12 g/kWh parce qu’une des étapes pour la préparation du combustible repose sur un procédé qui consomme très peu d’énergie.

Les différentes étapes pour utiliser l’uranium dans un centrale électrique. On part de l’étape « matières premières » qu’on doit transformer.

* Un kWh est une unité d’énergie : elle tient compte de la puissance et de la durée pendant laquelle cette puissance est utilisée. Pour comprendre ces histoires d’unités, nous te suggérons de relire cet ancien billet.

Comment ça marche ?

Souviens-toi, nous t’avions expliqué, dans ce précédent article, comment on produisait de l’électricité à grande échelle : une turbine doit tourner pour entraîner un alternateur.

Dans le cas d’une centrale nucléaire, c’est une turbine à vapeur : la vapeur qui contient beaucoup d’énergie (elle est à haute pression et à température élevée ) entraîne le mouvement de la turbine…

En plus de cette grande quantité d’énergie contenue dans la vapeur, c’est une grande quantité de vapeur qui arrive sur cette turbine et cela dépend de la puissance de l’installation. Cela fait donc une sacrée puissance !
Pour te donner une idée, à pleine puissance, une seule installation de la centrale de Gravelines (900 MW) produit 5400 tonnes de vapeur en une heure (on note donc cela 5400 t/h).

Comment chauffer l’eau et la transformer en vapeur ?
NB : Nous présentons uniquement ici la technologie de toutes les unités implantées en France : ce sont des Réacteurs à Eau sous Pression ou REP.

Pour générer une grande quantité de vapeur, il faut chauffer de l’eau qui va ensuite se vaporiser. L’énergie nécessaire est apportée par la chaleur dégagée lors de réactions nucléaires, c’est-à-dire des réactions qui touchent les noyaux des atomes.

Pour cela, on va prendre un atome particulier : un atome radioactif. Nous avons expliqué ce phénomène dans ces deux précédents billets (ici et là) .

La matière première, c’est l’uranium

L’uranium possède plusieurs isotopes dont U₂₃₅ et U₂₃₈ qui se trouvent dans la nature.
L’atome d’uranium 238 (92 protons, 146 neutrons) est celui qu’on trouve le plus abondamment dans la nature (99,27% de l’uranium naturel) mais il n’est pas intéressant dans le cadre des réactions nucléaires au sein de la filière des réacteurs français (même s’il joue un rôle dans le réacteur notamment dans la sûreté et le vieillissement du combustible).

L’atome d’uranium 235 (92 protons, 143 neutrons) est présent à la hauteur de 0,7% dans l’uranium naturel et il possède la propriété particulière suivante : lorsqu’il est percuté par un neutron, son noyau l’absorbe et se brise en deux noyaux plus petits ; c’est la fission et elle s’accompagne de la libération d’une grande quantité de chaleur. Ce n’est pas le cas de l’atome d’uranium 238.
En se brisant, l’atome d’uranium 235 libère des neutrons qui iront à leur tour briser d’autres noyaux, il s’agit donc d’une réaction en chaîne. La quantité de chaleur disponible est alors très très grande.

Bref, il faut bien organiser la technologie, pour tirer bénéfice des réactions de fission, tout en contrôlant les phénomènes pour pouvoir stopper dès que cela s’avère nécessaire et éviter les accidents. Maîtriser et contrôler parfaitement ce processus de façon à obtenir la chaleur dont on a besoin pour produire de la vapeur tout en évitant l’emballement de la réaction est l’une des clés de la sûreté des installations nucléaires. Nous en reparlerons dans un prochain billet !