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Les énergies du XXIe siècle

L'énergie nucléaire de fission


L’énergie nucléaire est utilisée depuis les années 1950 pour produire de l’électricité bas-carbone. En effet, c’est une des énergies qui émet le moins de gaz à effet de serre. Depuis sa création, le CEA travaille sur les différents types de réacteurs et le cycle du combustible associé pour mieux comprendre les phénomènes en jeu, innover et soutenir les industriels du secteur.
Publié le 22 juin 2021
L’énergie nucléaire est utilisée depuis les années 1950 pour produire de l’électricité bas-carbone. C'est en effet l'une des énergies qui émet le moins de gaz à effet de serre avec seulement 12 g/KWh contre 820 g/KWh pour une centrale à charbon (chiffres du Giec sur les émissions de CO2 des différentes sources d'électricité). En comparaison, les panneaux solaires sur les toits émettent 41 g/KWh. La fumée qui s’échappe des centrales est trompeuse, ce n’est que de la vapeur d’eau !

Depuis sa création, le CEA travaille sur les différents types de réacteurs nucléaires et le cycle du combustible associé pour mieux comprendre les phénomènes en jeu, innover et soutenir les industriels du secteur.


L'ÉNERGIE NUCLÉAIRE DE GÉNÉRATION EN GÉNÉRATION

Les générations de reacteurs nucléaires
Les générations de réacteurs nucléaires © C. Beurtey/CEA


La première génération de réacteurs nucléaires

À la fin des années 1930, la découverte de la réaction de fission marque le début des recherches sur l’énergie nucléaire, aux Etats-Unis, en Russie, France et Grande-Bretagne. 

La France a lancé un programme de développement de l’énergie nucléaire dès 1945, avec la création du Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) par le Général de Gaulle. Son objectif était de pouvoir répondre à la demande croissante d’électricité, en toute indépendance et à faible coût. Les centrales nucléaires de première génération, utilisant une technologie à l’uranium naturel et au graphite, et refroidies au gaz (UNGG), ont été mises en service dès 1956 et la dernière a été arrêtée en 1994. Leur puissance allait jusqu’à 540 Mégawatts électriques (MWe).

Pour en savoir plus, retrouvez notre livret thématique sur les réacteurs nucléaires.

Les réacteurs de 2e et de 3e générations

2e génération : la  technologie à eau sous pression (REP)


AnimationLe réacteur à eau pressuriséeAfficher en plein écran
 

Après le choc pétrolier de 1973, le gouvernement lance la construction d’une seconde génération de réacteurs avec la technologie à eau sous pression (REP), technologie américaine adaptée par EDF. Au total, 58 réacteurs de ce type sont mis en service entre 1977 et 1999 : 34 réacteurs de 900 MWe, 20 réacteurs de 1 300 MWe et 4 de 1 450 MWe, portant la puissance installée à 62,4 GWe.

En 2019, en France, ces réacteurs nucléaires fournissaient 71 % de l’électricité ; demain l’objectif fixé par la programmation pluriannuelle de l’énergie est d’atteindre 50 % en complément des énergies renouvelables.


Carte des unités électronucléaires en FranceCarte des unités électronucléaires en France © Agence Gimmik

Comment fonctionne
une centrale nucléaire ?


Pour produire de l’électricité, une turbine transmet de l’énergie mécanique à un alternateur qui la transforme en énergie électrique. La turbine peut être entraînée de différentes manières : dans une centrale hydroélectrique, c’est l’eau, chutant du barrage, qui la met en mouvement ; dans une centrale thermique comme dans une centrale nucléaire, c’est la vapeur sous pression qui la fait tourner. Cette vapeur est générée par une source de chaleur, mais tandis qu’une centrale thermique brûle du charbon, du pétrole ou du gaz, un réacteur nucléaire produit de la chaleur par des réactions de fission de noyaux atomiques tels que l’uranium.

Centrale de Chooz
Centrale de Chooz © F. Rhodes / CEA
La chaleur ainsi produite est ensuite transportée par un fluide caloporteur. Dans les centrales nucléaires actuelles, ce fluide est tout simplement de l’eau. Dans les systèmes nucléaires du futur, le rôle de caloporteur pourra être assuré par un métal liquide, comme le sodium ou le plomb, ou par un gaz, l’hélium.

Fonctionnement centrale nucleaire.jpg

Fonctionnement d'une centrale nucléaire de type REP © C. Beurtey / CEA
Le saviez-vous ?


LE SAVIEZ-VOUS ? 
Chaque mois, un réacteur de 900 MWe produit en moyenne la consommation de 500 000 foyers.

La 3e génération de réacteurs nucléaires

Au cours de ces années, les progrès technologiques ont permis des améliorations, comme une production électrique plus importante et une sûreté accrue, tout en baissant le coût de l’électricité produite.  

Les réacteurs nucléaires de troisième génération sont dans la continuité de la génération précédente. En France, il s’agit par exemple des EPR (European Pressurized Reactor). 

Toutes les étapes de production d’énergie sont optimisées et l’accent est mis sur la sûreté. Leur conception vise à : 

  • améliorer la sûreté : avec par exemple l’ajout d’un récupérateur de corium sous le cœur du réacteur ; 
  • augmenter la puissance : 1 600 MWe contre 1 450 MWe maximum pour la deuxième génération ; 
  • Dissolution de pastilles de combustible MOX en boîtes-à-gants
    Expérience de dissolution de pastilles de combustible MOX en boîtes-à-gants, étape indispensable avant la séparation par extraction liquide des constituants du combustible (CEA Marcoule) © S. Le Couster / CEA
  • amplifier le cycle du combustible : le combustible MOX (mélange d’oxyde d’uranium et de plutonium) issu du retraitement des combustibles usés sera plus utilisé permettant d’économiser environ 17 % d’uranium par rapport à la deuxième génération ; 
  • diminuer la production des déchets : réduction de 15 à 30 %.

En 2018 et 2019, deux EPR sont entrés en fonctionnement en Chine ; en 2020, quatre sont en construction : un en Finlande, un en France et deux au Royaume-Uni.

Les SMR, des réacteurs modulaires et compacts

En complémentarité avec les centrales nucléaires de forte puissance, une nouvelle gamme de réacteurs fait son apparition : les SMR (Small Modular Reactor). Plus petits, ces réacteurs de faible puissance (entre 50 et 500 MWe) ont la particularité d’être modulaires : les différentes parties sont en effet conçues pour être fabriquées en série et en usine avant d’être assemblées sur site. 

Vue d'artiste d'un SMR
Vue d’artiste d’un SMR © TechnicAtome

Par leur faible puissance, les SMR peuvent s’insérer dans des réseaux électriques à l'échelle locale et sont particulièrement adaptés aux sites isolés. Ils pourraient aussi à plus long terme produire de la chaleur, de l’hydrogène en les couplant avec des électrolyseurs haute température ou encore de l’eau douce par dessalement de l’eau de mer. 

En France, le projet NUWARDTM lancé en septembre 2019 regroupe plusieurs partenaires : EDF, TechnicAtome, Naval Group et le CEA. Dédié à l’export, ce concept vise en particulier le remplacement des centrales à charbon fortement émettrices de CO2. D’une puissance de 340 MWe, NUWARDTM se compose de deux réacteurs de technologie REP à l’architecture compacte et standardisée. La commercialisation est visée pour la prochaine décennie.



Les réacteurs de 4e génération

Visant un déploiement après 2050, une quatrième génération de réacteurs est actuellement en phase d’études et de développement, en rupture technologique avec les précédentes. 
Les pays membres du forum GenIV
L’Afrique du Sud, l’Argentine, l’Australie, le Brésil, le Canada, la Chine, les Etats-Unis, la France, le Japon, la République de Corée du Sud, le Royaume-Uni, la Russie et la Suisse ainsi que la Communauté européenne Euratom.

Menées dans le cadre du Forum international Génération IV (GenIV), ces recherches visent à répondre au besoin de produire en grande quantité l’énergie électrique nécessaire à notre mode de vie tout en réduisant la quantité de déchets produits, en économisant les ressources et en garantissant une sûreté et une fiabilité maximales.

Fin 2002, 6 concepts ont été sélectionnés : 

  • Trois sont des réacteurs à neutrons rapides (RNR) : RNR sodium, RNR gaz et RNR plomb.  
  • Les autres sont les réacteurs à eau supercritique, à très haute température et à sels fondus.


Zoom sur...
un réacteur à neutrons rapides


Un réacteur à neutrons rapides (RNR) est un réacteur dont le flux de neutrons n’est pas ralenti (vitesse approximative 20 000 km/s), contrairement aux réacteurs actuels (2 km/s). Ces réacteurs nucléaires présentent un intérêt majeur dans la gestion des matières nucléaires : combinés au traitement des combustibles usés et au recyclage des matières nucléaires, ils permettraient d’utiliser en quasi-intégralité l’uranium naturel, jusqu’à devenir indépendant de son extraction. 

En France, le CEA travaille sur la filière des réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium (RNR-Na). Il assure aussi une veille sur d’autres technologies comme les réacteurs à sels fondus, potentiellement bien adaptés au recyclage des matières nucléaires et à la réduction des déchets générés.

Plateforme Papirus - Circuits essais sodium

Plateforme Papirus – Circuits essais sodium. Installation d'étude des réactions sodium/eau pour le développement de procédés de lavage. Préparation d'un essai (CEA Cadarache) © P.F. Grosjean / CEA
LE SAVIEZ-VOUS ? 
Dans un réacteur, les matériaux sont soumis à des conditions extrêmes : hautes températures, fortes pressions, irradiation. Il est donc indispensable de connaître et d’anticiper leur comportement dans ces conditions et sur le long terme. Dans ce but, le CEA dispose de nombreux moyens expérimentaux et pilote en particulier la réalisation du réacteur Jules Horowitz (RJH).


Zoom sur
la simulation numérique


La simulation numérique est une composante incontournable pour la conception des installations nucléaires. Elle permet de prédire leur fonctionnement en régime normal, mais aussi en situation accidentelle. Grâce à la puissance des supercalculateurs, les codes décrivent avec toujours plus de précision les phénomènes physiques au cœur des réacteurs.


Résultats de simulation de fonctionnement liés aux réacteurs nucléaires
Le mur d'images de la Direction des Energies du CEA, sur le centre de Paris-Saclay, permet de visualiser en immersion 3D des résultats de simulations de fonctionnement ou de procédés liés aux réacteurs nucléaires. © P. Stroppa / CEA

LE Cycle du combustible

Le cycle du combustible, qu'est-ce que c'est ?

Le combustible utilisé dans les réacteurs actuels est composé majoritairement d’oxyde d’uranium. Un kilo d’uranium produit 10 000 fois plus d’énergie qu’un kilo de charbon ou de pétrole. 

Etapes du cycle du combustible nucléaire
Les étapes du cycle du combustible nucléaire © Com Ci Com Ca/CEA

Le cycle du combustible regroupe l’ensemble des opérations industrielles, en amont et en aval de son utilisation en réacteurs :

  1. Extraction, purification et enrichissement de l’uranium ;
  2. Fabrication du combustible ;
  3. Traitement du combustible usé afin d’extraire les matières énergétiques recyclables ;
  4. Fabrication du combustible MOX utilisant le plutonium extrait des combustibles usés ;
  5. Conditionnement et stockage des déchets ultimes.

AnimationLe cycle du combustible nucléaireAfficher en plein écran

Le CEA mène des actions de R&D sur l’ensemble des procédés du cycle du combustible nucléaire. Ces études visent à optimiser l’utilisation des matières nucléaires tout en minimisant les quantités de déchets produits et leur impact sur l’environnement.

ReportageLe combustible nucléaire
  • Lefca - Fabrication de combustibles au plutonium
    La ligne Inca (chaîne pour la fabrication de combustibles avancés) est dédiée à la recherche et développement sur les procédés de fabrication des combustibles au plutonium.
    Crédits photo : P.Dumas/CEA / Date : 31 mai 2006 / Lieu : CEA Cadarache
    Lefca - Fabrication de combustibles au plutoniumAfficher en plein écran
  • Lefca - Fabrication de combustible
    Zone de fabrication de combustible. Les boîte-à-gants permettent des mélanges et broyages spécifiques d'Uranium et de Plutonium.
    Crédits photo : P.Dumas/CEA / Date : 31 mai 2006 / Lieu : CEA Cadarache
    Lefca - Fabrication de combustibleAfficher en plein écran
  • Leca - Examen de combustible irradié
    Cellule chaude du Laboratoire d'examen des combustibles actifs (Leca), à Cadarache.
    Crédits photo : G.Le Sénechal/CEA / Date : 4 octobre 2011 / Lieu : CEA Cadarache
    Leca - Examen de combustible irradiéAfficher en plein écran
  • Reconditionnement de combustible
    Cellules blindées d'étude et de reconditionnement de combustible irradié.
    Crédits photo : G.Le Sénéchal/CEA / Date : 4 octobre 2011 / Lieu : CEA Cadarache
    Reconditionnement de combustibleAfficher en plein écran
  • Atalante - Fabrication de combustibles d'étude
    Vue de 2 caissons blindés où sont fabriqués, par voie sèche (broyage, pressage, frittage et gainage), des combustibles d'étude, cibles de transmutation et matrices de confinement.
    Crédits photo : A.Gonin/CEA / Date : 28 novembre 2005 / Lieu : CEA Marcoule
    Atalante - Fabrication de combustibles d'étudeAfficher en plein écran
  • Portion d'assemblage combustible
    Portion d'assemblage combustible composé de tronçons de gaine combustible avec bouchons et d'une portion de grille d'espacement des crayons.
    Crédits photo : P.Stroppa/CEA / Date : 26 avril 2010 / Lieu : CEA Saclay
    Portion d'assemblage combustibleAfficher en plein écran
  • Etude de gaines de combustibles
    Navette porte échantillons de la microsonde électronique de Castaing avec étalons. La microsonde permet de quantifier à l'échelle micronique la répartition des éléments d'addition et les impuretés au sein des gaines de combustible.
    Crédits photo : P.Stroppa/CEA / Date : 26 avril 2010 / Lieu : CEA Saclay
    Etude de gaines de combustiblesAfficher en plein écran
  • Filage de gaine combustible
    Opération de filage à chaud d'une gaine combustible (un tube en acier ODS) sur la presse de 575 tonnes.
    Crédits photo : P.Stroppa/CEA / Date : 26 avril 2010 / Lieu : CEA Saclay
    Filage de gaine combustibleAfficher en plein écran
  • Préparation d'une gaine combustible
    Développement de procédés de montage et de contrôle des aiguilles combustibles du démonstrateur de réacteur de 4ème génération sur des maquettes (matières non irradiantes).
    Crédits photo : S. Le Couster /CEA / Date : 25 août 2017 / Lieu : CEA Marcoule
    Préparation d'une gaine combustibleAfficher en plein écran
  • Différents constituants d'une aiguille combustible
    Développement de procédés de montage et de contrôle des aiguilles combustibles du démonstrateur de réacteur de 4ème génération sur des maquettes (matières non irradiantes).
    Crédits photo : S. Le Couster /CEA / Date : 25 août 2017 / Lieu : CEA Marcoule
    Différents constituants d'une aiguille combustibleAfficher en plein écran
  • Mamipulation de poudre d'acier ODS
    Le CEA développe des matériaux innovants à matrices métalliques et céramiques répondant aux besoins du nucléaire actuel et de 4ème génération, particulièrement en environnements extrêmes (hautes températures, neutrons rapides...). Il doit aussi développer leurs procédés de fabrication, les optimiser jusqu'à l'échelle pilote, en collaboration avec les industriels.
    Crédits photo : P.Stroppa/CEA / Date : 2 septembre 2014 / Lieu : CEA Saclay
    Mamipulation de poudre d'acier ODSAfficher en plein écran
  • Tressage 2D d'un tube composite en SiC
    Le CEA a pour missions de développer des matériaux innovants à matrices métalliques et céramiques répondant aux besoins du nucléaire actuel et de 4ème génération, particulièrement en environnements extrêmes (hautes températures, neutrons rapides...). Il doit aussi développer leurs procédés de fabrication, les optimiser jusqu'à l'échelle pilote, en collaboration avec les industriels.
    Crédits photo : P.Stroppa/CEA / Date : 3 septembre 2014 / Lieu : CEA Saclay
    Tressage 2D d'un tube composite en SiCAfficher en plein écran

Télémanipulation d'une aiguille de combustible irradié
Atalante - Télémanipulation d’une aiguille de combustible irradié (CEA Marcoule) © P.Stroppa / CEA

Recycler le combustible nucléaire : la stratégie française en plusieurs étapes

La France, à l’instar du Royaume-Uni, des Pays-Bas, de la Russie et du Japon a, dès le début, fait le choix de retraiter le combustible usé pour aller vers un cycle fermé du combustible. À terme, l’objectif est de ne plus avoir recours à l’uranium extrait des mines.

Atalante

une installation unique au monde pour les recherches sur le combustible

Sur le site de Marcoule, Atalante est unique en son genre : avec ses 25 000m2 de locaux et ses 17 laboratoires, elle regroupe l’ensemble des recherches sur les procédés du cycle du combustible, en particulier pour le traitement et le recyclage des combustibles nucléaires. Les recherches menées ont pour objectif de développer des nouveaux procédés plus efficaces, compacts, économiques et respectueux de l’environnement. Des études sont aussi effectuées sur les actinides mineurs, ces déchets nucléaires les plus toxiques issus du traitement du combustible. Elles visent à les séparer le plus efficacement possible des matières valorisables et à limiter le volume et la radio-toxicité des déchets ultimes.

AnimationVisite virtuelle - Le laboratoire AtalanteAfficher en plein écran
Les réacteurs actuels ne consomment que l’uranium 235 (235U) et un peu de plutonium. Cela signifie que l’uranium 238 (238U), qui forme 99,3 % de la masse de l’uranium naturel, est pratiquement inutilisé. 

Afin d’utiliser le stock d'uranium appauvri (340 000 tonnes en France) et ne plus avoir recours à l’uranium extrait des mines, la France envisage plusieurs étapes sur lesquelles travaille le CEA : 

  • D’abord, élargir l’utilisation des combustibles MOX issus du retraitement du combustible usé à tous les réacteurs du parc actuel
  • Ensuite, à plus long terme, utiliser l’uranium appauvri dans des réacteurs à neutrons rapides de 4e génération qui permettent de produire de l’énergie avec tous les isotopes de l’uranium. 

Les déchets radioactifs

Comme toute activité industrielle, l’énergie nucléaire produit des déchets. À titre de comparaison, les déchets radioactifs représentent 2 kg des 14 000 kg de déchets industriels produits par habitant et par an en France. Dans ces 2 kg, seuls 20 g sont hautement radioactifs. Les déchets nucléaires sont répartis en 6 catégories en fonction de leur radioactivité et de leur durée de vie. Ils sont traités, conditionnés, entreposés ou stockés définitivement selon des critères adaptés à chacune. Le CEA mène des recherches sur le traitement et le conditionnement des déchets ainsi que sur le comportement à long terme des colis et des matériaux du stockage.
Pour en savoir plus 
L'essentiel sur... les déchets radioactifs
Laboratoire de mesures physico-chimiques sur matériaux cimentaires
Laboratoire de mesures physico-chimiques sur matériaux cimentaires (CEA Saclay) © F. Rhodes / CEA

En France, c'est l'Andra, l'agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs, qui est chargée de la gestion à long terme des déchets radioactifs.

LE Démantèlement DES CENTRALES NUCLEAIRES

VidéoLe démantèlement nucléaire
 

Arrivées en fin de vie, les centrales nucléaires sont démantelées, c’est-à-dire vidées de leur matières radioactives, démontées et le site assaini

Une fois la déconstruction achevée, le site doit être déclassé par l’autorité nationale de sûreté (ASN) avant d’envisager de nouveaux usages industriels. Le démantèlement d’une centrale nucléaire peut durer plusieurs décennies en fonction de la complexité des opérations et du type de réacteur à démanteler. Le CEA gère le démantèlement de ses propres installations nucléaires et développe de la R&D spécifique à ce domaine.


Etat final d'un couloir après écroutage des surfaces et controles radiologiques

Assainissement-démantèlement du laboratoire d'analyse des matériaux actifs. État final d'un couloir après écroutage des surfaces et contrôles radiologiques (CEA Grenoble) © E.Stanislas / CEA