Cet article a un triple objet :
- rappeler des notions de base sur l’atome d’Uranium,
- montrer comment les réacteurs actuels nous permettent de fournir l’essentiel de notre électricité,
- promouvoir les réacteurs à neutrons rapides RNR au Sodium pour lesquels nous avons 50 années de retour d’expérience. Ils nous permettraient d’accéder au nucléaire durable.
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La France dispose actuellement, pour la production massive d’électricité non carbonnée, de 57 réacteurs nucléaires à neutrons lents RNL, à savoir :
- Les 58 réacteurs de 2em génération issus du Plan Messmer débuté en 1973 et poursuivi jusqu’en 1999 (puissances de 900 à 1300 MWe exprimées en mégawatts électriques). Ils ont été construits jusqu’à 6 par an suite à la crise énergétique de 1973,
- Moins les 2 réacteurs de Fessenheim malheureusement arrêtés sous la pression de l’Allemagne en 2020, alors qu’ils venaient d’être rénovés et auraient pu fonctionner encore au moins 20 années (Macron-Edouard Philippe),
- Plus le réacteur EPR 3em génération de Flamanville (Manche), un RNL de1550 MWe à sécurité renforcée, connecté au réseau avec retard en décembre 2024.
L’atome Uranium et son énergie
Rappelons que pour produire de l’électricité, il faut une source d’énergie et en général une turbine qui entraine un générateur (comme la dynamo d’un vélo).
La source peut être le vent ou l’hydraulique. Dans le cas particulier des panneaux solaires, on utilise l’effet photoélectrique. Si dans la majorité des cas la source est thermique, on utilise :
- soit les hydrocarbures fossiles (pétrole gaz ou charbon),
- soit la biomasse,
- soit les propriétés de l’atome.
Le nucléaire est l’énergie décarbonée la plus efficace. Elle fournit 85% de notre électricité.
L’atome est le siège de 2 forces fondamentales : la force électromagnétique et la force forte :
- La première est libérée lors de la combustion d’une énergie fossile.
- La seconde est plus d’un million de fois plus forte. Elle tient ensemble les composants du noyau de l’atome : les protons et les neutrons. Rompre cette liaison par une collision avec un neutron provoque la fission de l’atome. Elle permet d’en dégager une énergie énorme (à poids égal,1.7 millions de fois plus que le pétrole !).
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Les réacteurs nucléaires actuels sont des réacteurs à fission de l’Uranium, le plus lourd des éléments naturels (2 fois plus lourd que le plomb).
L’autre manière de créer de l’énergie nucléaire sera la fusion. À l’état de prototype, cette dernière cherche à reproduire ce qui se passe dans le soleil où, sous une température et une pression considérables, des atomes légers d’hydrogène se fondent en un atome d’hélium avec un énorme dégagement d’énergie. Pour cela, comme dans le tokamak ITER, on cherche à fusionner 2 isotopes de l’hydrogène : le deutérium et le tritium, pour produire un atome plus lourd d’hélium 4, avec émission d’un neutron et un grand dégagement d’énergie.
Revenons à la réalité actuelle de la fission de l’atome :
Le nombre de protons donne le numéro atomique Z de l’atome dans la classification des éléments : pour l’Uranium, Z= 92.
Les isotopes d’un atome donné diffèrent par le nombre de neutrons. Protons et Neutrons ont à peu près la même masse. Le total des protons et neutrons constitue le nombre de masse d’un atome. Ainsi les isotopes 234, 235, 238 de l’Uranium possèdent respectivement 142, 143, 146 neutrons. L’Uranium 238 est ainsi qualifié car il a 92 protons plus 146 neutrons.
Les études sur la radioactivité de l’entre-deux guerres ont montré que certains atomes lourds sont plus ou moins stables et radioactifs. Un élément radioactif se désintègre naturellement. On appelle période le temps pour la désintégration naturelle de la moitié de ses atomes.
Ainsi l’uranium 238 est l’atome le plus lourd de l’écorce terrestre. Il est l’Uranium de loin le plus abondant (99.28%), et le plus stable (période de 4,468 milliards d’années.
L’U 238 est qualifié de « fertile », car il peut devenir fissile après capture d’un neutron, devenant du Plutonium Pu 239 qui est « fissile ». Le Pu n’existe pas à l’état naturel.
L’uranium 235 est le seul atome naturel radioactif et fissile. Il est bien moins stable. Il peut se briser sous le choc d’un neutron avec dégagement d’énergie. Sa période est de 700 millions d’années et il en reste 0.71% dans le minerai d’uranium.
L’uranium 234, dont la période est de 250000 ans, se désintègre bien plus vite et n’est plus de ce fait qu’à l’état de traces (0.006%)
La période du Pu239, très fissile, est de 24000 ans.
Dès la début de l’exploitation de l’énergie nucléaire (Enrico Fermi), on s’est rendu compte que pour casser les noyaux de l’uranium 238, le plus stable, il fallait les fissionner avec des neutrons rapides (en fait non ralentis) évoluant à 20000 km/s.
Il apparaît pourtant que les scientifiques, un peu partout dans les pays pionniers, se soient orientés vers des réacteurs à neutrons ralentis par un modérateur (Réacteurs à Neutrons Lents ou RNL), jusqu’à 2-3 km/s, ce qui permet de casser plus facilement l’U 235, mais pas l’U 238. Un neutron ralenti à en effet plus de chances de rencontrer un noyau d’U235. On compare souvent avec le gardien de but qui intercepte plus facilement un ballon lent.
C’est ainsi que dans un Réacteur à Neutrons Lents (RNL), l’uranium 238 n’est pas brûlé et reste comme déchet.
Un peu d’histoire : en France, la filière nationale UNGG c’est à dire Uranium Naturel avec le Graphite comme ralentisseur de neutrons et le Gaz sous pression comme refroidisseur et caloporteur a été vite abandonnée (1969). Nous avons opté pour la technologie américaine Westinghouse de RNL à eau légère pressurisée. Cette technologie avait été adoptée au début pour les petits réacteurs des sous-marins nucléaires en raison de facilité du refroidissement par l’eau de mer, mais aussi car on ne pensait pas être limité par la ressource en uranium, à l’époque peu coûteux.
Nos principaux fournisseurs d’Uranium, après le conflit avec le Niger, sont le Kazakhstan, l’Ouzbékistan, le Canada, l’Australie.
C’est ainsi que tous les réacteurs industriels et militaires français sont des RNL REP, des Réacteurs à Eau Pressurisée (pression élevée de 150 bars) fonctionnant à l’U 235 enrichi.
L’enrichissement consiste à passer du taux de 0.7% du minerai à 3-4 % pour améliorer le rendement . C’est aussi le cas des EPR, des petits réacteurs de sous-marins et des éventuels futurs SMR (Small Modular Réactors de moins de 250-300 MWe).
Encore une fois, la fission consiste à casser le noyau d’un atome lourd par collision avec un neutron.Elle provoque le dégagement de l’énergie de liaison entre protons et neutrons dans la cuve du réacteur.
Ensuite il faut transporter cette chaleur par un refroidisseur ou caloporteur (transporteur de chaleur), jusqu’à un échangeur de chaleur. Cette chaleur est alors utilisée dans une chaudière dont la vapeur sous pression entraîne une turbine, reliée à un alternateur, produisant de l’électricité. Le bon rendement d’une machine thermique exige une source froide (principe de Carnot). C’est pourquoi les centrales nucléaires sont installées en bord de mer ou bien de fleuves, couplées de ce cas à des tours aéroréfrigérantes. L’eau y est refroidie par évaporation.
La révolution des Réacteurs à Neutrons Rapides (RNR)
Dans l’urgence, la France a donc construit un parc de RNL, mais nos brillantes équipes d’ingénieurs se sont très tôt lancées, en même temps, dans le développement de réacteurs à neutrons rapides au sodium (RNR-Na) de 4eme génération.
Rapsodie a été notre 1er RNR expérimental refroidi par le sodium et a fonctionné de 1967 à 1983 à Cadarache avec une puissance thermique de 24 MWt et une pointe à 40 MWt en 1971. Il ne produisait que de la chaleur, pas d’électricité. Il faut environ 3 MWt (thermiques) pour produire 1MWe.
Puis ce fut Phénix, prototype industriel de 250 MWe au sodium comme caloporteur, qui a été couplé au réseau en 1973 et a fonctionné pendant 35 ans jusqu’à 2009 à Marcoule.
Puis Superphénix, 1er prototype industriel de forte puissance électrique (1240 MWe), construit à partir de 1977, a fonctionné de 1984 à 1997 à Creys-Malville. C’était un réacteur de type intégré, avec pompes et échangeur dans une cuve remplie de sodium. Superphénix a connu de multiples retards, certains techniques, mais surtout 3 ans dûs à des tracasseries politiques, notamment de la gouvernance européenne. Il a permis d’étudier la transmutation des actinides mineurs (atomes très radioactifs à 1/2 vie longue) en atomes déchets moins dangereux.
Alors que SuperPhénix avait résolu tous les problèmes liés à un prototype, il a été stoppé sous le gouvernement Jospin suite à l’incroyable intervention en 1998 de la Ministre de l’Écologie Voynet dont l’idéologie, la fourberie le disputait à l’incompétence.
La principale critique (résolue) de ce réacteur portait sur la forte réactivité exothermique du Sodium Na à l’air ou à l’eau. De plus, le bas prix du minerai, à l’époque, incitait au court-termisme. Pourquoi ? Les écologistes ont comme fonds de commerce l’hostilité assez irrationnelle au nucléaire. C’est pour eux un combat identitaire.
Or les RNR-Na ont des avantages décisifs qui sapent leurs critiques:
- Ils ont un coût d’exploitation plus faible même s’ils coûtent un peu plus cher en investissement
- Ils permettent de brûler la totalité de l’Uranium : l’U 235 mais aussi l’U 238 qui n’est plus un « déchet » mais devient une ressource.
- Ce sont des réacteurs « surgénérateurs” : grâce au Pu 239 issu de la captation d’un neutron par l’U 238, ils produisent plus de matière fissile qu’ils n’en consomment, dans la réaction en chaîne contrôlée. La fission d’un Pu 239 par un neutron fournit en effet 3 neutrons dont plus de 2 en moyenne collisionnent avec l’U238.
- Ils brûlent et diminuent considérablement les déchets, à forte activité et vie longue.
- Ils fonctionnent quasiment à pression ambiante, donc sans risque d’explosion radioactive.
- Ils peuvent régler en grande partie la question de la ressource limitée en Uranium, mettant fin au gaspillage actuel de ce précieux minerai.
Ainsi la France dispose aujourd’hui, sur les sites de ses centrales nucléaires, de 350 000 T d’U238 non brûlé par les RNL (550 000T en 2050) qui donneraient à la France 3000 années (trois mille !) de combustible nucléaire gratuit utilisables dans des RNR ! Ce trésor mésestimé est équivalent à 3 fois les réserves mondiales actuelles de pétrole et de gaz.
La France dispose aussi d’un stock de 60T de Pu 239 indispensables pour démarrer la réaction en chaîne des futurs tous premiers RNR industriels.
Le dernier projet de RNR français a été Astrid lancé en 2010 sous l’impulsion de Chirac et mis à l’arrêt en 2019, une des catastrophes du couple Macron-Hulot. Ce projet de réacteur de démonstration expérimental de 200 MWe (site de Marcoule), apportait des améliorations de sécurité et des simplifications par rapport à Superphénix en vue d’un réacteur de puissance industriel ultérieur.
Ce projet aurait été relancé en 2025 pour un construction très tardive en 2038, et démarrage à partir de 2045. Qu’en est-il en réalité ?
Notons qu’il existe dans le monde d’autres types de RNR utilisant d’autres refroidisseurs / caloporteurs, comme par exemple des sels fondus ou des métaux fondus comme le plomb qui était utilisé en Russie dans les sous-marins.
Le thorium Th232 pourrait être une alternative fertile à l’Uranium pour des RNR avec l’avantage d’être 4 fois plus abondant sur Terre mais peut-être moins énergétique.
L’urgence de relancer les Réacteurs à Neutrons Rapides (RNR)
En définitive, la France dispose d’une soixantaine d’années de conception et d’exploitation de réacteurs à neutrons rapides à caloporteur sodium qui permettent de brûler le minerai d’uranium, non seulement l’uranium 235 mais aussi l’uranium 238 et le Plutonium 239.
La France était pionnière et leader sur cette technologie.
Elle avait au moins 20 ans d’avance. Aujourd’hui la Russie et la Chine ont repris ce concept et disposent chacun de 2 RNR en service. L’Inde s’y met.
Il est scandaleux que les politiques français aient mis fin à la filière des réacteurs à neutrons rapides, non pas pour des raisons techniques, mais par inculture scientifique, par idéologie et lâcheté électorale. En effet cette technologie permet de « fermer le cycle de l’Uranium ». Elle rend le nucléaire durable et est l’énergie la plus écologique en attendant la fusion.
Il est incompréhensible que l’on ait décidé en juin 2025 d’investir 100 milliards d’€ dans 6 EPR et de SMR (petits réacteurs modulables) qui sont encore des réacteurs à neutrons lents. En effet, ils ne permettent d’exploiter que 1% de l’énergie contenue dans le minerai d’Uranium. Ils ne résolvent pas les problèmes de déchets, et d’approvisionnement à long terme en Uranium. La ressource exploitable mondiale d’uranium naturel est limitée et évaluée à 8 millions de tonnes (au plus 15) avec des prix qui risquent de s’envoler dans les 20 prochaines années. La consommation annuelle mondiale de minerai d’ U naturel est actuellement de 60 000T dont 8 700T pour la France. On n’en extrait que 50 T d’U235.
Il est donc urgent de relancer la filière des Réacteurs à Neutrons Rapides et d’interpeller les politiques dans la perspective de 2027.
Seuls les RNR permettront, dans la seconde moitié de ce siècle, et au niveau mondial, d’assurer une énergie abondante, sûre et à prix contenu, permettant la transition avant l’hypothétique énergie de fusion nucléaire espérée pour la fin de ce siècle.
Ce fut l’avertissement circonstancié d’Yves Bréchet, X 81, ancien Haut Commissaire au CEA, le 29 novembre 2022, lors de son audition par la Commission d’enquête parlementaire sur la perte de souveraineté énergétique de la France.
Il faut faire vite, compte-tenu des délais de revalidation d’un réacteur expérimental de type Astrid, de la conception et la réalisation d’une tête de pré-série série de RNR-Na de puissance industrielle, dans la perspective d’une série qui pourrait être opérationnelle vers 2050.
Les RNR sont miniaturisables et devraient pouvoir équiper les porte-conteneurs dont la pollution est supérieure à tout le parc automobile mondial.
Il serait plus intelligent d’arbitrer en faveur des réacteurs à neutrons rapides plutôt que de multiplier les énergies intermittentes prévues par la PPE3 (3eme programmation pluriannuelle de l’énergie). Cette PPE nous engage pour 300 à 400 milliards d’€ sur 10 ans avec un nouveau doublement du prix de l’électricité. Il prévoit en effet de multiplier par 2 les éoliennes terrestres, par 8 les éoliennes maritimes et par 4 les panneaux solaires, tous inutiles.
En outre, plus on construit d’éoliennes et de panneaux solaires, plus il faut construire en appui des centrales thermiques au fuel et au gaz qui émettent des GES et nous rendent tributaires de l’étranger, tant pour le matériel que pour le carburant.
Le débat doit donc porter sur l’arbitrage entre prolongation jusqu’à 2050 des RNL actuels plutôt que la construction de nouveaux EPR. La relève serait alors prise par les RNR à partir de 2050.
Il faudra mettre en place des financements publics à faible taux d’intérêt. Selon le taux d’intérêt pratiqué, le coût de construction varie en effet du simple au triple.
La question cruciale est en définitive :
Avons nous les hommes politiques, les hommes d’Etat, ayant la compétence et le courage d’appliquer une stratégie énergétique souveraine à très long terme, car en la matière, l’horizon opérationnel est de 50 à 100 ans.
