Centrale nucléaire

Une centrale nucléaire est un site industriel destiné à la production d'électricité et dont la chaudière est constituée d'un ou plusieurs réacteurs nucléaires ayant pour source d'énergie un combustible nucléaire. La puissance électrique d'une centrale varie de quelques mégawatts à plusieurs milliers de mégawatts en fonction du nombre et du type de réacteur en service sur le site (860 MWe en moyenne par réacteur).

L'énergie d'une centrale nucléaire provient de la fission de noyaux d'atomes lourds. Celle-ci dégage de la chaleur, qui sert dans un premier temps à vaporiser de l'eau, comme dans toute centrale thermique conventionnelle, puis la vapeur d'eau produite entraîne en rotation une turbine accouplée à un alternateur qui produit à son tour de l'électricité. C'est la principale application de l'énergie nucléaire dans le domaine civil.

On compte dans le monde environ 250 centrales nucléaires qui ont produit 10,8 % de l'électricité mondiale en 2013. Ces centrales comptent en mai 2019 un total de 450 réacteurs en fonctionnement (y compris 31 réacteurs japonais à l'arrêt), dont la puissance atteint 398 GW ; 54 réacteurs sont en cours de construction.

Centrale nucléaire de DayaBay (Chine).

La répartition des centrales nucléaires dans le monde est très hétérogène : deux tiers des centrales sont en Europe de l'Ouest, aux États-Unis et au Japon. Cette carte date de 2008 ; depuis, le nombre de centrales en Chine s'est fortement accru.

Centrale nucléaire du Tricastin en août 2008 (France).

Centrale nucléaire de Leibstadt (Suisse), dont la tour aéroréfrigérante est typique des centrales thermiques.

Histoire

Années 1950 : premières centrales

Installation de la cuve du premier réacteur EBR-1 (États-Unis).

La première centrale nucléaire du monde, à avoir produit de l'électricité (puissance de quelques centaines de watts), est l’Experimental Breeder Reactor I (EBR-I), construite au laboratoire national de l'Idaho aux États-Unis. Elle entre en service le 20 décembre 1951.

Le 27 juin 1954, une centrale nucléaire civile est connectée au réseau électrique à Obninsk en Union soviétique, avec une puissance de production d'électricité de cinq mégawatts.

Les centrales nucléaires suivantes furent celles de Marcoule dans la vallée du Rhône le 7 janvier 1956, de Sellafield au Royaume-Uni, connectée au réseau en 1956, et le réacteur nucléaire de Shippingport aux États-Unis, connecté en 1957. Cette même année, les travaux de construction du premier réacteur à usage civil en France (EDF1) démarrèrent à la centrale nucléaire de Chinon.

De 1960 à 1986 : croissance rapide

La puissance nucléaire mondiale a augmenté rapidement, s'élevant de plus de 1 gigawatt (GW) en 1960 jusqu'à 100 GW à la fin des années 1970, et 300 GW à la fin des années 1980.

Pendant l'année 1970, la construction de 37 nouveaux réacteurs était en cours et six étaient mis en service opérationnel. Entre 1970 et 1990 étaient construits plus de 5 GW par an, avec un pic de 33 GW en 1984.

Plus des deux tiers des centrales nucléaires commandées après janvier 1970 ont été annulées notamment comme conséquence de l'accident nucléaire de Three Mile Island.

1986 : Tchernobyl

Évolution du parc mondial de réacteurs nucléaires ; impact des 3 accidents électronucléaires majeurs.

En 1986, la catastrophe nucléaire de Tchernobyl a conduit à plusieurs moratoires ; la baisse des prix du pétrole durant les années 1990 a renforcé cette tendance, conduisant à construire moins de nouveaux réacteurs dans le monde. Parallèlement, les centrales vieillissent : en 2006, la majorité des réacteurs avaient de 15 à 36 ans, sept ayant mème de 37 à 40 ans.

Les coûts économiques croissants, dus aux durées de construction de plus en plus longues, et le faible coût des combustibles fossiles, ont rendu le nucléaire moins compétitif dans les années 1980 et 1990. Par ailleurs, dans certains pays, l'opinion publique, inquiète des risques d'accidents nucléaires et du problème des déchets radioactifs, a conduit à renoncer à l'énergie nucléaire.

Le nombre de réacteurs nucléaires en construction dans le monde a commencé à diminuer en 1986, date de la catastrophe nucléaire de Tchernobyl.

Il s'est ensuite stabilisé vers 1994, année à partir de laquelle le taux de mise en construction de nouveaux réacteurs a stagné entre 2 et 3 par an.

En 1993, la part de la production d'électricité nucléaire dans la production électrique mondiale a atteint son plus haut point historique, à hauteur de 17 %. Cette part n'est plus que de 10,6 % en 2015, contre 77 % en France.

Années 2000 : relance annoncée

Nombre et puissance des réacteurs nucléaires en service dans le monde jusqu'en 2011.

Âge des réacteurs nucléaires en 2013.

À partir du milieu de la décennie 2000, la croissance des besoins en énergie, associée à la remontée des prix des énergies (hausse du prix du pétrole et du gaz, taxe carbone…) a conduit certains experts à annoncer une renaissance du nucléaire en Europe, Asie et Amérique. Par exemple, la Finlande s'est engagée dans la construction d’un réacteur pressurisé européen (EPR) à Olkiluoto depuis 2003, la construction d’un EPR à Flamanville (France) est en cours depuis 2007 et 27 réacteurs sont aussi en construction en Chine.

En 2005, seuls 3 nouveaux réacteurs étaient mis en construction dans le monde et 4 réacteurs achevés étaient connectés au réseau. La capacité mondiale a augmenté beaucoup plus lentement, atteignant 366 GW en 2005, en raison du programme nucléaire chinois.

En 2006, mais surtout 2007, la demande repart poussée par les besoins énormes de la Chine en énergie et la hausse généralisée du prix des énergies fossiles.

2011 : accident nucléaire de Fukushima

La crise économique depuis 2008, et l'accident nucléaire de Fukushima ont provoqué une baisse de la production d'électricité d'origine nucléaire, de 4,3 % en 2011 par rapport à 2010. Des pays comme l'Allemagne, la Belgique, la Suisse et Taïwan, ont annoncé leur sortie du nucléaire. L'Égypte, l'Italie, la Jordanie, le Koweït, et la Thaïlande ont décidé ne pas s'engager ou se réengager dans le nucléaire. Les chantiers de dix-huit réacteurs en construction affichent plusieurs années de retard, dont neuf en construction depuis plus de vingt ans.

À la suite de l'accident nucléaire de Fukushima en 2011, un certain nombre de pays ont revu leur politique de développement de l'énergie nucléaire.

Par exemple :

l'Allemagne

en mixant énergies fossiles et renouvelables (et la complexification des échanges européens), a annoncé sa décision de fermer toutes ses centrales nucléaires avant fin 2022,

l'Italie

a abandonné ses projets nucléaires,

la Suisse

ne renouvellera pas ses centrales,

le Québec

a fermé sa centrale nucléaire de Gentilly fin 2012,

au Japon

le précédent gouvernement a annoncé une sortie du nucléaire d'ici 2030, par contre, le gouvernement japonais issu des élections de décembre 2012 est favorable à la remise en service de certaines des centrales nucléaires existantes et ce malgré les résistances de la population,

la Chine

après avoir gelé les autorisations pour de nouveaux réacteurs a décidé, fin 2012, d'une reprise des projets de construction de centrales nucléaires.

Réacteurs nucléaires et centrales en projet

En juillet 2018, 57 réacteurs nucléaires sont en construction (57,9 GW) dont 15 en Chine (15,2 GW).

En 2016, dix réacteurs ont été mis en service (cinq en Chine, un en Corée du Sud, un en Inde, un au Pakistan, un en Russie et un aux États-Unis) et trois ont été arrêtés. Le rythme de démarrage des nouveaux réacteurs est resté ralenti ces dernières années par les retards enregistrés sur de nombreux chantiers, notamment des réacteurs de troisième génération, qui répondent à des normes de sûreté plus strictes. La Russie a connecté son premier VVER-1200 à Novovoronezh en 2016 avec quatre ans de retard ; la Corée du Sud a subi le même retard avec son premier APR-1400. Les huit AP1000 de Westinghouse, filiale américaine de Toshiba, accusent tous des retards de plusieurs années sur leur planning initial (deux à trois ans pour les quatre réacteurs en construction aux États-Unis, environ quatre ans pour le premier des quatre exemplaires prévus en Chine). Tout comme les quatre EPR français en chantier (six ans pour Flamanville en France, neuf ans pour Olkiluoto en Finlande et trois ans pour Taishan en Chine). Sur les 55 réacteurs en chantier recensés par le World Nuclear Industry Status Report (60 selon WNA, 61 selon l'AIEA), au moins 35 sont en retard.

La Chine vise 58 GW en 2020 et le dirigeant de CGN, He Yu, prévoit 150 à 200 GW installés pour 2030. La Russie construit 9 réacteurs sur son sol et truste une bonne partie des commandes internationales : l'agence fédérale Rosatom, qui revendique 100 milliards de dollars de contrats pour 23 projets de réacteurs à l'étranger, semble mener la course en tête, en s'appuyant sur les nouveaux entrants du nucléaire civil : le Viêt Nam comme le Bangladesh, qui n'ont aucune expérience dans le domaine, apprécient son offre « clés en main », assortie de financements fournis par l'État russe.

En France, l'industrie nucléaire a conçu un réacteur de nouvelle génération EPR. EDF en a lancé la construction d'un démonstrateur ou prototype tête de série sur le site de Flamanville, dans la Manche, d'une puissance prévue de 1 600 MW. (Investissement d'un coût estimé à 3 milliards d'euros en 2003, revu à 5 milliards d'euros en 2010, revu à 6 milliards d'euros en juillet 2011 puis à 8,5 milliards en décembre 2012).

Selon le scénario central des prévisions 2014 de l’Agence internationale de l'énergie (AIE), la part du nucléaire dans la production d’électricité s’accroîtra d’un point d'ici 2040, à 12 %, la puissance installée nucléaire s'accroissant de près de 60 %, à 624 GW, contre 392 GW en 2013 ; la géographie du nucléaire devrait se modifier profondément, avec un basculement vers l'Est : les capacités installées devraient ainsi presque décupler en Chine, à 149 GW, soit presque un quart de la puissance installée mondiale prévue pour 2040 ; les États-Unis enregistreraient une faible croissance et l’Union européenne serait la seule zone (avec le Japon) où l’atome enregistrerait une décroissance (– 14 %), la part du nucléaire dans la production d’électricité en Europe passant ainsi de 27 à 21  %. Si la plupart des pays prolongent la durée de vie de leurs centrales mises en service dans les années 1970 et 1980, 200 des 434 réacteurs aujourd’hui exploités dans le monde seront en cours de démantèlement à l’horizon 2040. Le nombre de pays exploitant du nucléaire devrait passer de 31 en 2013 à 36 en 2040, y compris en tenant compte de ceux ayant annoncé leur sortie de l’atome (Allemagne, Suisse et Belgique).

Le rapport « The World Nuclear Industry », publié le 15 juillet 2015 par les consultants Mycle Schneider et Antony Froggatt, montre que le nombre de réacteurs nucléaires en exploitation est toujours très inférieur à son niveau de 2010, et qu'il y a de moins en moins de mises en chantier de nouveaux réacteurs : en 2014, on n'a compté que trois mises en chantier, en Argentine, en Biélorussie et aux Émirats arabes unis, et seulement deux sur les six premiers mois de 2015, en Chine, à comparer aux 15 démarrages de construction observés en 2010, et aux 10 de 2013. Au total, le nombre de réacteurs en construction sur la planète est tombé à 62 unités dans 14 pays (contre 67 il y a un an), dont 24 en Chine (40 %), 8 en Russie et 6 en Inde. Le rapport souligne que les trois quarts de ces chantiers subissent des retards avérés. Cinq d'entre eux (aux États-Unis, en Russie et en Slovaquie) sont même « en construction » depuis plus de trente ans ! Les réacteurs de troisième génération, en particulier, subissent de lourds retards, compris entre deux et neuf ans. C'est vrai pour les EPR d'Areva en France et en Finlande, mais aussi pour les huit AP1000 de Westinghouse, ou les six AES-2006 de Rosatom. En revanche, la construction des deux EPR de Taishan, en Chine, se déroule, a priori, comme prévu.

En avril 2019, la compagnie d'état russe Rosatom affiche un carnet de commandes de 133 milliards de dollars pour six contrats de réacteurs décrochés en Russie et 33 contrats à l'étranger, en particulier en Asie : Inde, Pakistan, Bangladesh. Mais le financement de ces projets s'avère difficile. Rosatom est donc amenée à renforcer ses coopérations avec des fournisseurs occidentaux, car pour vendre à l'étranger, il a besoin de leurs technologies pour rassurer les clients, convaincre les autorités internationales de sûreté et trouver des financements. Dans les faits, la construction officielle (coulage du béton du bâtiment réacteur) a débuté pour six réacteurs en Russie et sept à l’étranger (Biélorussie, Inde, Bangladesh et Turquie).

Statistiques

Réacteurs

Le rapport 2017 sur l'état de l'industrie nucléaire World Nuclear Industry Status Report (WNISR) recensait 403 réacteurs en fonctionnement dans le monde (environ 450 en incluant ceux à l'arrêt, dont 33 au Japon), représentant une capacité de 351 GW, en baisse par rapport aux records constatés en 2002 pour les 438 réacteurs ou en 2010 pour la capacité installée (367 GW).

En mai 2019, l'Agence internationale de l'énergie atomique (AEIA) dénombre 450 réacteurs de puissance opérationnels dans le monde (y compris les 31 réacteurs mis à l’arrêt au Japon) et 55 en construction (11 en Chine, 7 en Inde, 6 en Russie, 5 en Corée du sud, 4 aux Émirats arabes unis, 2 dans chacun des pays suivants : Bangladesh, Biélorussie, Japon, Pakistan, Slovaquie, Ukraine et États-Unis d’Amérique et 1 dans chacun des pays suivants : Argentine, Brésil, Finlande, Turquie et Royaume-Uni, Hongrie et France).

Combustible

Au 1^er janvier 2015, selon l'OCDE, les 437 réacteurs nucléaires commerciaux raccordés au réseau, avec une puissance installée nette de 377 GW, requièrent environ 56 600 tonnes d'uranium par an. Compte tenu de l'évolution des politiques annoncées dans plusieurs pays et des plans de développement nucléaire révisés, la puissance nucléaire mondiale devrait atteindre 418 GW nets dans le cas de la demande faible et 683 GW nets dans le cas de la demande élevée d'ici 2035, soit une augmentation de 11 et 81 %, respectivement. En conséquence, les besoins mondiaux annuels en uranium des réacteurs (à l’exclusion des MOX) devraient atteindre respectivement 66 665 tonnes et 104 740 tonnes d’ici 2035.

Les prévisions de puissance nucléaire varient considérablement d'une région à l'autre. La région d’Asie de l’Est devrait connaître la plus forte augmentation, ce qui, d’ici à 2035, pourrait donner lieu à l’installation de nouvelles capacités entre 48 GW et 166 GW dans les cas bas et haut respectivement, ce qui représente des augmentations de plus de 54 % et 188 % par rapport à 2014. La puissance nucléaire des pays non membres de l'UE sur le continent européen devrait également augmenter de manière significative, avec des ajouts compris entre 21 et 45 GW d'ici 2035 (des augmentations respectives d'environ 49 et 105 %). Le Moyen-Orient, l’Asie centrale et méridionale et l’Asie du Sud-Est devraient connaître une croissance significative de leur puissance nucléaire, et une croissance plus modeste est prévue en Afrique et dans les régions d’Amérique centrale et du Sud. Pour l'Amérique du Nord, les prévisions les plus basses montrent que la puissance installée nucléaire reste à peu près la même en 2035 et augmente de 11 % dans les cas les plus élevés, en grande partie en fonction de la demande future en électricité, de la prolongation de la durée de vie des réacteurs existants et des politiques gouvernementales en matière d'émissions de gaz à effet de serre. Dans l'Union européenne, la puissance nucléaire en 2035 devrait soit diminuer de 48 % dans le scénario bas, soit augmenter de 2 % dans le scénario haut. Ces projections sont soumises à une incertitude encore plus grande que d'habitude après l'accident de Fukushima.

Sur la base des besoins en uranium de l'année de 2015 (56 600 tonnes d'Uranium), les ressources identifiées, y compris les ressources raisonnablement assurées et les ressources présumées, sont suffisantes pour plus de 135 ans. Dans la perspective favorable au nucléaire telle qu'évoquée précédemment, les ressources ne seraient alors plus que de 73 ans, qui amène à 2088. Différées mais pas effacées, la plupart des questions posées par les choix énergétique de la planète auront pris une tournure particulière dans la mesure où, en 2019, les technologies susceptibles de remplacer l'uranium 235 (thorium, réacteurs à neutrons rapides) sont encore peu développées et où le Peak uranium (en) approche. Dans l'hypothèse où le nucléaire se serait imposé sur tout autre moyen de production d'énergie, partout en 2100, les réacteurs nucléaires actuels se seraient depuis longtemps arrêtés faute de combustible, des bonds technologiques auront permis de développer des surgénérateurs, ou d'autre réacteurs innovants utilisant l'Uranium 238, le thorium 232, rentabilisant la fusion contrôlée deutérium-tritium (conditionnées par les stocks limités de lithium 6) ou la fusion contrôlée de deutérium, ce qui n'est pas acquis. Une partie du dilemme nucléaire tient au coût de développement, aux déchets qui accompagnent la plupart de ces technologies et à l'acceptation des citoyens face à elles.

Description

Schéma de principe d'une centrale nucléaire REP.

Schéma de principe d'une centrale nucléaire REB.

salle de commande d'une centrale nucléaire REP.

Une centrale nucléaire regroupe l'ensemble des installations permettant la production d'électricité sur un site donné. Elle comprend fréquemment plusieurs réacteurs (appelés « tranches »), identiques ou non ; chaque tranche correspond à un groupe d'installations conçues pour fournir une puissance électrique donnée (par exemple en France : 900 MWe, 1 300 MWe ou 1 450 MWe).

Les différents types de réacteurs

Schéma d'une centrale de type REP (réacteur à eau pressurisée)

Vue en coupe de la cuve d'un réacteur à eau pressurisée.

Il existe différentes technologies de réacteurs nucléaires civils, regroupés en « filières » :

réacteur à eau bouillante

modéré au graphite de conception soviétique (RBMK) ;

réacteur à uranium naturel modéré par du graphite

refroidi par du dioxyde de carbone (filière uranium naturel graphite gaz ou UNGG) ; dont le premier réacteur à usage civil en France (EDF1). Cette filière fut abandonnée pour la filière REP pour des raisons économiques. Les centrales françaises de ce type sont actuellement toutes à l'arrêt ; par contre, certaines centrales britanniques du même type (Magnox, AGR) sont encore en service ;

réacteur utilisant de l'uranium naturel modéré par de l'eau lourde

filière canadienne CANDU ;

réacteur à eau pressurisée (REP) (PWR en anglais)

type de réacteur utilisant de l'oxyde d'uranium enrichi comme combustible, et est modéré et refroidi par de l'eau ordinaire sous pression. Les REP constituent l'essentiel du parc actuel : 60 % dans le monde et 80 % en Europe. Une variante en est le réacteur à eau pressurisée de conception soviétique (WWER) ;

réacteur à eau bouillante (REB) (BWR en anglais)

type de réacteur est assez semblable à un réacteur à eau pressurisée, à la différence importante que l'eau primaire se vaporise dans le cœur du réacteur et alimente directement la turbine, ceci en fonctionnement normal ;

réacteur à eau lourde pressurisée ;

Réacteur avancé refroidi au gaz ou AGR ;

Réacteur à neutrons rapides

réacteur nucléaire à neutrons rapides et à caloporteur sodium, comme le Superphénix européen ou le BN-600 russe ;

réacteur nucléaire à sels fondus (RSF)

où l'on pourrait utiliser du Thorium.

Générations de réacteurs

Les réacteurs nucléaires ont été classés en plusieurs générations en fonction de l'âge de leur conception:

• Les réacteurs actuellement en service sont dits de génération II (voire I pour les plus anciens; e.g. Magnox au Royaume-Uni).
• Les réacteurs actuellement en construction (EPR, AP1000) sont dits de génération III ou III+ (voire II+ pour les CPR1000 chinois).
• Les réacteurs de génération IV sont à l'étude.

Éléments principaux d'un réacteur nucléaire

En France, toutes les centrales en fonctionnement sont des réacteurs à eau pressurisée (REP). Un REP comprend les éléments suivants.

• Le bâtiment réacteur, à simple ou double enceinte (en fonction du « palier » technologique du réacteur). Dans ce bâtiment se trouve :
  • la cuve, qui contient le combustible nucléaire,
  • le circuit d'eau primaire, dont le rôle principal est d'assurer le transfert thermique entre le cœur du réacteur et les générateurs de vapeur,
  • les générateurs de vapeur (trois ou quatre selon le « palier » technologique du réacteur), et une partie du circuit d'eau secondaire
  • les pompes primaires servant à faire circuler le fluide caloporteur (eau),
  • le pressuriseur (qui a pour fonction de maintenir l'eau traitée du circuit primaire à l'état liquide en la pressurisant),
• Le bâtiment combustible : accolé au bâtiment réacteur, il sert de stockage des assemblages du combustible nucléaire avant, pendant les arrêts de tranche et pour le refroidissement du combustible déchargé (un tiers du combustible est remplacé tous les 12 à 18 mois). Le combustible est maintenu immergé dans des piscines de désactivation, dont l'eau sert d'écran radiologique.
  Ces deux bâtiments sont les seuls spécifiques à une centrale « nucléaire », les autres étant similaires dans une centrale électrique à charbon, gaz ou fioul.

Installations de production d'électricité

Le reste des installations sera commun à toutes les centrales thermiques :

• Le bâtiment « salle des machines », qui contient principalement :
  • une ligne d'arbre comprenant les différents étages de la turbine à vapeur et l'alternateur (groupe turbo-alternateur),
  • le condenseur, permettant de convertir la vapeur d'eau, sortant de la turbine, en eau liquide qui peut alors être pompée par des turbopompes alimentaires et renvoyée dans les générateurs de vapeur dans le bâtiment réacteur ;
• Les locaux périphériques d'exploitation (salle de commande…) ;
• Des bâtiments annexes qui contiennent notamment des installations diverses de circuits auxiliaires nécessaires au fonctionnement du réacteur nucléaire et à la maintenance, les tableaux électriques alimentant tous les auxiliaires et générateurs Diesel de secours ;
• Une station de pompage pour assurer les besoins en eau de refroidissement.
• Une ou plusieurs tours de refroidissement, généralement la partie la plus visible des centrales thermiques, dont la hauteur en France peut atteindre 178,5 m (centrale nucléaire de Golfech). Ces aéroréfrigérants n'équipent que les centrales dont la source froide ne permet pas d'évacuer la chaleur nécessaire au fonctionnement et permettent ainsi de diminuer la pollution thermique de cette source froide. Les sites de bord de mer n'ont pas de tour de refroidissement. La hauteur de ces réfrigérants peut être réduite pour des raisons visuelles (par exemple, compte tenu de la proximité des châteaux de la Loire, pour les centrales de Chinon où la hauteur des tours à tirage induit ne dépasse pas 30 m et de Saint-Laurent-des-Eaux où la hauteur a été limitée à 120 m) au prix d'une diminution du rendement de la centrale.

Les autres installations de la centrale électrique comprennent :

• Un ou plusieurs postes électriques permettant la connexion au réseau électrique par l'intermédiaire d'une ou plusieurs lignes à haute tension, ainsi qu'une interconnexion limitée entre tranches ;
• Les bâtiments technique et administratif, un magasin général…

Centrales nucléaires flottantes

Selon des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology et des universités du Wisconsin et de Chicago, cherchant à tirer les leçons de la catastrophe de Fukushima Daiichi, la réalisation d’une centrale nucléaire flottante permettrait d’éviter les risques liés aux tsunamis et autres phénomènes naturels imprévisibles. Plus sûre pour des coûts de production plus faibles, elle serait arrimée au fond marin à une dizaine de kilomètres de la côte ; elles pourraient reposer sur des structures tout-acier bien moins coûteuses et plus rapides à mettre en place que le béton des centrales terrestres ; le cœur de ces centrales serait situé sous la surface de l’eau et un système de sécurité permettrait de refroidir l’ensemble automatiquement en cas de besoin.

La société russe Rusatom Overseas, membre du groupe nucléaire public Rosatom, et la société chinoise CNNC New Energy ont signé le 29 juillet 2014 un mémorandum d’intention sur la construction des centrales nucléaires flottantes, technologie nucléaire annoncée comme plus sûre et moins coûteuse et vers laquelle la Russie s’est orientée depuis 2007. Autre avantage en cas d’arrêt du dispositif, la centrale pourra être remorquée vers le chantier spécialisé d’origine afin de procéder au démantèlement, protégeant ainsi le site hôte de toute contamination sur le long terme.

La Russie a lancé dès 2006, via le consortium russe Rosenergoatom, le premier projet de centrale nucléaire flottante (CNF), pour assurer l'approvisionnement électrique des villes et sites miniers de sa zone arctique. Le navire/centrale Akademic Lomonosov, mis à l'eau en 2010, devrait être livré en octobre 2016. Équipé de deux réacteurs KLT-40 de propulsion navale, il pourra fournir jusqu'à 70 MW d'électricité et 300 MW de chaleur, puissance qui permet l'alimentation d'une ville de 200 000 habitants. Il peut aussi être utilisé comme usine de dessalement. La durée de vie du navire devrait être de quarante ans. La Russie n'exclut pas l'exportation de ces bâtiments. Actuellement une vingtaine de pays seraient intéressés : Chine, Indonésie, Malaisie... Toutefois, la Russie ne commercialiserait pas officiellement les CNF, mais seulement l'électricité produite afin de respecter le traité de non prolifération. La Russie envisagerait en effet de conférer aux CNF un statut d'extraterritorialité.

Il est prévu que la construction de l’Akademik Lomonosov se termine en 2018 à Saint-Pétersbourg et que l’installation soit ensuite remorquée jusqu’à Mourmansk. Le combustible nucléaire y sera chargé dans les réacteurs qui seront testés avant d’être remorqués en 2019 vers la petite ville de Pewek où ils entreront en service. Pewek est une commune peuplée de 5 000 habitants dans le nord-est de la Sibérie.

En France, la DCNS étudie depuis 2008 un projet similaire, Flexblue, dont le réacteur ancré au fond sous-marin serait déplacé verticalement selon les besoins, produisant 50 à 250 MWe.

La Chine a également des projets du même type : le 4 novembre 2016, China General Nuclear Power Corporation a annoncé le lancement de la construction de l’ACPR 50S, un réacteur de faible puissance avec 200 MW contre plus de 1 000 MW pour la plupart des centrales électrogènes dans le monde, conçu pour être installé sur un bateau ou une plateforme en mer. Le premier prototype doit être terminé en 2020. Son concurrent, China National Nuclear Corporation, prévoit son premier bateau-centrale dès 2019, doté d'une version adaptée d’un réacteur ACP 100 tout juste terminé, d’une puissance de 100 à 150 MW. Les deux entreprises travaillent avec la société de construction navale CSIC pour élaborer des projets de navires et de plateformes qui accueilleront les réacteurs. Le projet a été approuvé en avril 2016 par la commission au Plan chinoise. En juillet 2016, la presse d’État avait érigé les centrales en symbole de la puissance du pays, peu après la décision, le 12 juillet, de la cour de justice de La Haye, qui, saisie par les Philippines, avait remis en cause les revendications territoriales de Pékin sur la mer de Chine du Sud. La presse chinoise spécialisée a alors évoqué une vingtaine de plateformes nucléaires prévues en mer. Selon China National Nuclear Corporation, la construction de la plate-forme nucléaire flottante devrait être terminée d’ici 2018 et opérationnelle en 2019.

Fonctionnement technique

Réacteur à eau bouillante :
1) barre d'arrêt d'urgence
2) barre de contrôle
3) assemblage combustible
4) protection biologique
5) sortie de vapeur
6) entrée de l'eau
7) protection thermique.

Une tranche thermique nucléaire a le même fonctionnement qu'une tranche thermique classique: un combustible (en l'occurrence nucléaire) produit de la chaleur ; cette chaleur permet soit directement soit au travers d'un échangeur (le « générateur de vapeur » ou GV) de transformer de l'eau en vapeur ; cette vapeur entraîne une turbine qui est couplée à un alternateur qui produit l'électricité.

La différence essentielle entre une centrale nucléaire et une centrale thermique classique est matérialisée, en ce qui concerne la production de chaleur, par le remplacement de la chaudière consommant des combustibles fossiles par un réacteur nucléaire.

Pour récupérer de l'énergie mécanique à partir de chaleur, il est nécessaire de disposer d'un circuit thermodynamique :

• une source chaude, une circulation et une source froide. Pour un réacteur de type REP (Réacteur à eau pressurisée), la source chaude est fournie par l'eau du circuit primaire, chauffée par la réaction nucléaire, à la température moyenne de 306 °C (286 °C en entrée et 323 °C en sortie de réacteur, cette dernière variant selon la puissance de la tranche) ;
• la source froide du circuit de refroidissement peut être fournie par pompage d'eau de mer, ou de fleuve, (le système est parfois complété d'une tour aéroréfrigérante).

Ainsi, une tranche nucléaire de type REP (Réacteur à eau pressurisée) comporte trois circuits d'eau importants indépendants, détaillés ci-après.

Circuit primaire fermé

Le circuit primaire se situe dans une enceinte de confinement. Il est constitué d'un réacteur intégrant des grappes de contrôle et le combustible, et, suivant le type de tranche, de 2 à 4 GV associés respectivement à une pompe primaire centrifuge (une par GV ; masse de 90 t environ), un pressuriseur (comprenant des gaines chauffantes) assurant le maintien de la pression du circuit à 155 bar. Il véhicule, en circuit fermé, de l'eau liquide sous pression qui extrait les calories du combustible pour les transporter aux GV (rôle de fluide caloporteur). L'eau du circuit primaire a aussi comme utilité la modération des neutrons (rôle de modérateur) issus de la fission nucléaire. La thermalisation des neutrons les ralentit pour leur permettre d'interagir avec les atomes d'uranium 235 et déclencher la fission de leur noyau. Par ailleurs, l'eau procure un effet stabilisateur au réacteur : si la réaction s'emballait, la température du combustible et de l'eau augmenterait. Cela provoquerait d'une part, une absorption des neutrons par le combustible (effet combustible) et d'autre part une modération moindre de l'eau (effet modérateur). Le cumul de ces deux effets est dit « effet puissance » : l'augmentation de ce terme provoquerait l'étouffement de la réaction d'elle-même, c'est un effet auto-stabilisant.

Circuit secondaire fermé

Le circuit d'eau secondaire se décompose en deux parties :

• entre le condenseur et les générateurs de vapeur (GV), l'eau reste sous forme liquide : c'est l'alimentation des GV ; des turbopompes alimentaires permettent d'élever la pression de cette eau, et des échangeurs de chaleur en élèvent la température (60 bar et 220 °C) ;
• cette eau se vaporise dans de 2 à 4 GV (suivant le type de tranche REP de 600 à 1 450 MW) et les tuyauteries de vapeur alimentent successivement les étages de la turbine disposés sur une même ligne d'arbre. La vapeur acquiert une grande vitesse lors de sa détente permettant ainsi d'entraîner les roues à aubages de la turbine. Celle-ci est composée de plusieurs étages séparés et comportant chacun de nombreuses roues de diamètre différent. Dans un premier temps, la vapeur subit une première détente dans un corps haute pression (HP, de 55 à 11 bar), puis elle est récupérée, séchée et surchauffée pour subir une seconde détente dans les trois corps basse pression (BP, de 11 à 0,05 bar). On utilise les corps BP dans le but d'augmenter le rendement du cycle thermohydraulique.

La sortie du dernier étage de la turbine donne directement sur le condenseur, un échangeur de chaleur dont la pression est maintenue à environ 50 mbar absolu (vide) par la température de l'eau du circuit de refroidissement (selon la courbe de saturation eau/vapeur). Des pompes à vide extraient les gaz incondensables en phase gaz du mélange (principalement l'oxygène moléculaire et le diazote). L'eau condensée dans cet appareil est réutilisée pour réalimenter les GV.

Source froide

L'énergie thermique non transformée en énergie mécanique, soit une puissance thermique d'environ 1 800 MWth par réacteur de 900 MWe fonctionnant à 100 % de sa puissance nominale, doit être constamment évacuée par une « source froide » ; il en va de même de la puissance résiduelle du réacteur nucléaire à l’arrêt (1,59 % de la puissance thermique une heure après l’arrêt, 0,67 % une journée après l’arrêt).

En puissance, un circuit assure le refroidissement du condenseur. L'eau de refroidissement est échangée directement avec la mer, un fleuve ou une rivière, par l'intermédiaire de pompes de circulation. Pour ces deux derniers cas, l'eau peut être refroidie via le circuit tertiaire par un flux continu d'air à température ambiante dans une tour aéroréfrigérante d'où une petite partie de l'eau, environ 0,75 m³/s soit 1,7 litre/kWh produit), s'évapore puis se condense sous forme d'un panache blanc, mélange de gouttelettes d'eau, visibles, et de vapeur d'eau invisible. L'eau (douce ou salée) du circuit tertiaire et ouvert de refroidissement apporte constamment des propagules d'organismes (moules, huîtres) susceptibles de s'accrocher (fouling) sur les parois des conduites et de les dégrader ou limiter les capacités de refroidissement. L'eau peut aussi apporter des détritus, des algues et des groseilles de mer (petites méduses) susceptibles de boucher des crépines ou conduites. L'opérateur limite le risque en utilisant des filtres (qu'il faut régulièrement décolmater) et/ou en tuant les organismes vivants, avec des produits chimiques antifouling, un puissant biocide (ex. chlore, qui peut être fabriqué dans la centrale à partir de l'ion chlore du sel NaCl abondant dans l'eau de mer) et/ou des boules abrasives utilisées pour décaper les parois des conduites de refroidissement des restes d'animaux et de biofilm bactérien éventuellement devenus résistants aux biocides.

La source froide est l'une des vulnérabilités d'une centrale. À titre d'exemples, cités par l'IRSN, en 2009, des végétaux ont bloqué la prise d'eau des réacteurs n^o 3 et 4 de la centrale nucléaire de Cruas, « conduisant à la perte totale du refroidissement de systèmes importants pour la sûreté du réacteur n^o 4 » et, cette même année, « d'autres événements ont affecté la « source froide » des réacteurs », dont une nuit où la température est descendue à -15°C, le frasil obstruant les canalisations de la centrale de Chooz B. Une digue flottante et un système de préfiltration (grilles fixes) stoppent les objets volumineux (branches...), puis un système de filtration mécanique à tambours filtrants, ou à filtres à chaînes, munis d’un système de lavage ôte les algues, plantes et objets de petite taille.

Production d’électricité / évacuation d’énergie

L'énergie mécanique produite par la turbine sert à entraîner l'alternateur, rotor d'une masse d'environ 150 t) qui la convertit en énergie électrique, laquelle est ensuite véhiculée par le réseau électrique. Lorsque l'alternateur fournit de la puissance électrique au réseau, on dit que la tranche est « couplée » au réseau.

Une perte du réseau, par exemple à la suite d'un incident, entraîne la déconnexion de l'alternateur du réseau, une réduction immédiate de l'alimentation en vapeur de la turbine par fermeture des organes d'admission turbine et une réduction de la puissance du réacteur. Celle-ci est alors évacuée par l'ouverture de vannes de contournement vers le condenseur disposées sur le barillet vapeur. Le groupe turboalternateur (turbine + alternateur) reste en rotation prêt au recouplage immédiat sur le réseau. On dit que la tranche est « ilotée » : elle alimente elle-même ses auxiliaires.

Rendement d'une centrale nucléaire

Le rendement théorique des centrales nucléaires françaises actuelles est d'environ 33 %. Les centrales électriques alimentées au fioul ou au charbon possèdent un rendement un peu supérieur (environ 40 %) car elles fonctionnent avec une température de vapeur plus élevée (moins de contraintes de sécurité).

Avec de nouveaux générateurs de vapeur, la pression secondaire des nouveaux réacteurs EPR atteint quasiment 80 bars, ce qui, d'après ses promoteurs, représente la valeur conduisant au maximum de rendement pour un cycle à eau vapeur saturée soit sensiblement 36 % (voir Réacteur pressurisé européen#Améliorations des performances).

Contrairement à certains autres pays, en France les réacteurs nucléaires électrogènes ne sont pas utilisés pour faire de la cogénération.

Durée de fonctionnement

Sur un plan technique, les centrales nucléaires ont été conçues et construites à l'origine pour fonctionner de 25 à 40 ans. Mais avec la progression des techniques et des connaissances, les centrales ont été améliorées au fil des années pour continuer à fonctionner avec le plus haut niveau de sûreté possible, et elles peuvent donc dépasser ces durées. En matière de règlementation, les durées d'exploitation des centrales varient selon les pays. Ainsi, aux États-Unis, la durée prévue d'exploitation de chaque centrale nucléaire a été fixée dès l'origine à 40 ans. Cependant, ces dernières années, la plupart des centrales ont vu leur autorisation de fonctionnement prolongée à 60 ans. L'approche française est différente : chaque centrale reçoit une autorisation de fonctionnement pour 10 ans. À l'issue de ces 10 années, une visite décennale est organisée pour effectuer des contrôles et confirmer le niveau de sûreté de l'installation. Si tous les contrôles sont satisfaisants, une nouvelle autorisation de fonctionnement est donnée pour une période de 10 ans.

Aux États-Unis, l’autorité de sûreté nucléaire (NRC) a accordé des renouvellements de licence jusqu’à 60 ans pour 81 réacteurs sur les 99 en service dans le pays, et a publié fin 2015 un projet de lignes directrices, soumis à consultation publique jusqu’en février 2016, pour « décrire les méthodes et techniques acceptables par les équipes de la NRC pour le renouvellement de licence » jusqu’à 80 ans d’exploitation. Les exploitants devront démontrer que les composants les plus sensibles, notamment la cuve qui ne peut être changée, pourront être exploités de manière sûre sur un telle durée. La centrale de Surry, en Virginie, pourrait être la première à faire l'objet d'une demande de licence pour prolongation à 80 ans de la durée de vie de ses deux réacteurs ; son propriétaire Dominion a annoncé le 6 novembre 2015 son intention de déposer cette demande, qui devrait être déposée en 2019 ; Dominion a informé en novembre 2017 la NRC de son intention de déposer la même demande pour les deux réacteurs de sa centrale de North Anna, également en Virginie.

En juillet 2018, l’opérateur américain Exelon a fait la demande d’une prolongation à 80 ans de ses réacteurs 2 & 3 à eau bouillante de la centrale de Peach Bottom (Pennsylvanie), qui ont déjà l’autorisation de fonctionner jusqu’à 60 ans, soit 2033 pour l’unité 2 et 2034 pour l’unité 3. Florida Power & Light avait déjà fait la même demande pour ses réacteurs, à eau pressurisée, 3 et 4 de la centrale de Turkey Point.

Le plus vieux réacteur nucléaire du monde encore en exploitation est, en novembre 2016, le réacteur I de la centrale nucléaire de Beznau, en Suisse. Il est en service depuis 47 ans (septembre 1969).

Les six réacteurs en fonctionnement les plus anciens, d'une puissance moyenne de 412 MW, ont été mis en service en 1969. Parmi eux figurent les réacteurs américains de Nine Mile Point 1 et Oyster Creek et les deux réacteurs de la centrale indienne de Tarapur.

Impacts environnementaux

Déchets

À la sortie de la centrale, le combustible usé étant, en majorité soit à près de 95 %, constitué d'uranium appauvri ainsi que de plutonium (1 %), peut servir après retraitement à retourner en centrale sous forme d'uranium de retraitement enrichi ou de MOX, selon le cycle du combustible du pays concerné.

Donc les déchets radioactifs, qui proviennent de différentes étapes du cycle du combustible nucléaire ne font qu'une fraction du volume des combustibles usés, soit moins de 5 % après retraitement. Environ 10 % de ces déchets sont des éléments de forte activité radiologique ou de longue période radioactive. La gestion de ces déchets est un processus complexe, en général confiée à une organisation spécifique.

Rejets d'effluents radioactifs et chimiques

En fonctionnement normal, une centrale nucléaire émet en continu des rejets contrôlés radioactifs et chimiques d’effluents liquides et gazeux, il s’agit de rejets effectués dans le cadre des autorisations réglementaires de rejet. Lors d'incident ou d'accident une centrale peut être amenée à effectuer des rejets dépassant ceux autorisés en fonctionnement normal.

En France, l'ASN est chargée de vérifier le respect des autorisations réglementaires de rejet par les centrales nucléaires, et est également chargée d'informer le public des rejets dans l'environnement et des risques induits pour la santé des personnes et pour l'environnement.

Émissions de gaz à effet de serre

Émissions de CO₂par kWh électrique (ACV)

Énergie primaire	gCO2/kWh	Commentaire
charbon	800 à 1050	suivant technologie
cycle combiné à gaz	430
photovoltaïque	60 à 150	hors stockage ou appoint
hydraulique	4 à 39
éolien	3 à 22	hors stockage ou appoint
nucléaire	5 à 17	en gCO2équivalent/kWh
biomasse bois	faible	1500 sans replantation

Les centrales nucléaires émettent beaucoup moins de CO₂ que les centrales à énergie fossile, même en comptabilisant les émissions dans les mines d’uranium. Ces émissions dépendant fortement de l'énergie utilisée lors des processus de purification de combustible, elles se situent dans une fourchette de 5 à 17 gCO₂/kWh avec une valeur moyenne de 10 gCO₂/kWh.

Le remplacement des centrales thermiques fossiles (charbon, pétrole, gaz) par des centrales nucléaires permettrait de réduire fortement les émissions de gaz à effet de serre : une étude publiée fin 2016 par une équipe internationale de scientifiques dans la revue International Journal of Global Energy Issues montre qu'un programme massif de développement du nucléaire dans les pays développés et émergents pourrait amener à l'élimination complète des combustibles fossiles d'ici 2100, où l'électricité serait produite à 60 % par les centrales nucléaires et 40 % par les énergies renouvelables. Ce scénario éviterait d'avoir à compter sur des solutions de capture et stockage massif de CO₂ dont la faisabilité technique et économique est loin d'être acquise.

Selon l'Agence internationale de l'énergie « la fermeture prématurée de centrales nucléaires opérationnelles reste une menace majeure pour la réalisation des objectifs 2DS (limitation à 2 °C du réchauffement climatique) » ; elle évoque en particulier en 2017 le cas des États-Unis où de nombreuses centrales nucléaires sont menacées de fermeture à cause de la concurrence du gaz à bas prix, alors que le nucléaire est largement exclus des incitations financières accordées aux autres technologies bas-carbone. En 2019, dans son premier rapport sur le nucléaire en près de vingt ans, elle s'inquiète de l'avenir incertain des centrales nucléaires dans les pays développés, qui pourraient perdre 25 % de leur capacité nucléaire d'ici à 2025 et plus des deux tiers d'ici à 2040, notamment en Europe et aux États-Unis ; cette perte pourrait se traduire par le rejet de quatre milliards de tonnes de CO₂ additionnelles dans l'atmosphère et freiner la transition écologique.

Selon CDC climat, l'arrêt des centrales nucléaires allemandes décidé au lendemain de l'accident nucléaire de Fukushima, aurait dû entraîner une augmentation de près de 13 % des émissions de CO₂ en Allemagne dans l'immédiat. Cependant, l'Allemagne n'a pas eu recours au charbon pour compenser l'arrêt de 8 de ses 17 réacteurs en 2011, année plutôt douce. Exportatrice d'électricité en 2009, à hauteur de 21 % de la capacité polonaise, 27 % de la néerlandaise, 40 % de la belge ou de la tchèque, elle est devenue importatrice de courant, à destination de ses régions méridionales à partir des pays limitrophes. L'effacement en Allemagne de près de 7 GW de puissance installée a donc un impact important sur l'immédiat et sur l'avenir de la politique énergétique européenne.

Certains partisans des énergies renouvelables pensent qu'elles émettent globalement de moins grandes quantités de gaz à effet de serre que les centrales nucléaires, en particulier l'éolien et l'hydraulique mais cela dépend beaucoup du site d'implantation et les avis divergent fortement. La production est peu émettrice mais la fabrication, l'installation et la connexion au réseau provoquent des émissions de gaz à effet de serre qui dépendent fortement de l'électricité d'appoint. Afin de pallier sa variabilité, l'éolien européen est souvent adossé à des centrales à gaz. Pour la biomasse, une bonne gestion des forêts exploitées peut aboutir à un stockage du CO₂, en raison de l'augmentation de la matière organique, production de bois énergie à partir de rémanent forestier de la production de bois d'œuvre.

Les centrales nucléaires, comme toutes les centrales thermiques, rejettent d'importante quantité de vapeur d'eau du fait de leur mode de refroidissement à travers des tours de refroidissement à effet Venturi. Même si la vapeur d'eau est un des principaux gaz à effet de serre , les émissions de vapeur d’eau d'origine humaine jouent un rôle très négligeable dans l’augmentation de l’effet de serre. En effet, seule une partie très infime de la vapeur d’eau atmosphérique est due aux activités humaines, et la vapeur d’eau reste très peu de temps dans l’atmosphère, à peine quelques jours, tandis qu’un gaz comme le dioxyde de carbone y demeure un siècle environ.

Rejets thermiques

Comme toute centrale thermique, environ seulement 30 à 40 % de l'énergie produite est transformée en électricité, le surplus d'énergie produit est dissipé sous forme de chaleur, conduisant à un réchauffement de l'air et de l'eau (source froide nécessaire au fonctionnement de toute centrale thermique). Le panache blanc, mélange de fines gouttelettes d'eau visibles et de vapeur d'eau, issu des tours de refroidissement, est l'aspect le plus visible de cette pollution. Dans le cas d'une centrale nucléaire, où la source chaude ne peut pas atteindre les températures des centrales thermiques classiques, le rendement de Carnot est plus faible du fait de cette température maximale plus faible de la source chaude.

Ce réchauffement ou « rejet thermique » constitue une pollution thermique permanente inhérente au fonctionnement des centrales thermiques (nucléaire, fioul, charbon, gaz, certaines huiles minérales, déchets industriels ou agricoles, déchets ménagers). Une centrale nucléaire est donc source de pollution thermique par ses rejets de la même manière que toute centrale thermique classique. Par exemple, les 45 GWe d'énergie nucléaire française produisent globalement une pollution thermique équivalente à l'énergie déposée par le Soleil sur 0,05 % de la superficie de la France.

En France, il existe réglementairement des limites à ne pas dépasser pour éviter un réchauffement local trop important de la source froide (fleuve, rivière, mer) car l'eau prélevée est restituée à une température légèrement supérieure à sa température de prélèvement. En conséquence, la production doit être diminuée ou suspendue si l'eau restituée est trop chaude par rapport au débit du fleuve (effet de dilution), ou en absence de dérogations à la réglementation (délivrées par l'ASN pour les centrales nucléaires, par exemple lors de la sécheresse de 2003).

Une façon de résoudre le problème des rejets thermiques serait de récupérer l'énergie thermique produite par les centrales nucléaires dans des réseaux de chaleur pour le chauffage urbain, comme on le fait pour des centrales au gaz naturel par exemple. Cette solution, appelée cogénération nucléaire, commençait à être étudiée par le CEA en 2015.

Prélèvements d'eau

De la même manière que pour les centrales thermiques classiques (à flamme), lors de la production d'électricité, les prélèvements d'eau pour le refroidissement sont très variables selon que le système de refroidissement est en circuit ouvert ou en circuit fermé.

En circuit ouvert

l’eau du circuit de refroidissement, directement prélevée dans la mer ou dans un fleuve à grand débit, se réchauffe en traversant le condenseur. Celui-ci est composé d'un millier de tubes au contact desquels la vapeur du circuit secondaire se condense puis l’eau condensée est renvoyée vers le générateur de vapeur. L’eau du circuit de refroidissement qui circule dans les tubes est réchauffée lors de la condensation de la vapeur, puis est renvoyée dans la rivière ou la mer (par un chenal ou des conduites) ; dans ce cas de figure, les prélèvements sont d'environ 50 m³/s pour les réacteurs nucléaires de 900 à 1 300 MWe, et l'eau est intégralement restituée à la source ;

En circuit fermé

L’eau du circuit de refroidissement – prélevée d'un fleuve à débit plus faible ou d'une rivière – et qui s’est réchauffée dans le condenseur, est refroidie par un courant d’air dans une tour de refroidissement, appelée tour aéroréfrigérante ; une partie de l’eau s’évapore dans l’atmosphère (panache de vapeur d’eau) ; l’autre partie retourne au condenseur, un appoint d’eau d’environ 2 m³/s pour une tranche nucléaire de 1 300 MWe, est réalisé pour compenser l’eau évaporée et le débit de purge (1,25 m³/s).

D'un point de vue environnemental, L'eau prélevée est restituée à une température légèrement supérieure (voire égale en cas d'utilisation de réfrigérants de purge), et , pour les circuits fermés, à une qualité inférieure puisque contenant des additifs de traitement contre le tartre destinés à éviter que les eaux de refroidissement mènent à l'encrassement du condenseur.

Les centrales thermiques (classiques ou nucléaires) installées au bord des fleuves de faible débit ou des rivières, sont en circuit fermé en raison des variations de débit des cours d'eau, en période de sécheresse notamment. Les centrales situées en bord de mer ou sur un fleuve de fort débit, sont moins sensibles à ces contraintes puisque leur source de refroidissement est plus importante ou moins soumise aux variations de température.

En revanche, une des particularités fondamentales des centrales nucléaires par rapport aux centrales thermiques classiques est la nécessité de devoir maintenir le refroidissement après l'arrêt car une quantité considérable de chaleur, la puissance résiduelle, continue d'être dégagée par le combustible nucléaire usé. Du point de vue de la sûreté nucléaire, le refroidissement est donc crucial même après l'arrêt du réacteur, pour éviter la fusion du combustible nucléaire.

Dans le cas d'un refroidissement en circuit ouvert, la centrale nucléaire nécessite de 70 à 100 fois moins d'eau à l'arrêt qu'en fonctionnement normal. Dans le cas d'un refroidissement en circuit fermé, le besoin en eau à l'arrêt est divisé par 3 à 4 par rapport au fonctionnement normal.

Prélèvements en France

Le prélèvement d'eau pour refroidissement est estimé par EDF à 160 l/kWh en cas de refroidissement par eau et à 6 l/kWh si la centrale utilise une tour aéroréfrigérante.

Ainsi en 2005, pour refroidir son parc (thermique à flamme + nucléaire), EDF a prélevé dans le milieu naturel environ 42 milliards de m³ d'eau (pour produire 450 milliards de kWh). Sur ces 42 milliards de mètres cubes, 16,5 ont été prélevés dans un fleuve ou une rivière et le reste en mer, dont environ 500 millions de m³ ont été évaporés dans les tours. 97,5% de l'eau de refroidissement est restituée au milieu (réchauffée d'une dizaine de degrés sauf dans le cas des aéroréfrigérants, mais alors l'eau est polluée par les biocides utilisés contre le fouling dans les conduites).

Sa consommation d'eau douce faisait d'EDF le premier utilisateur d'eau de France : 57 % de toute l'eau consommée en 2002, à comparer à l'eau potable (18 % du total), à l'industrie (11 %) et à l'irrigation (14 %).

En 2013, 51 % du volume total prélevé d'eau douce a servi au refroidissement des centrales, soit 17 milliards de m³ dont plus de 90% est restitué après utilisation, la consommation nette est donc très faible.

La localisation géographique des plus gros prélèvements d’eau douce s’explique par la présence de réacteurs nucléaires dotés de circuits de refroidissement ouverts : par ordre décroissant, Tricastin (Isère – Drôme), Saint-Alban (Rhône moyen), Bugey (Haut Rhône), toutes trois situées sur le Rhône, suivies de Fessenheim (Rhin supérieur), respectivement 4 895 millions, 3 668 millions, 2 363 millions, 1 752 millions de m³ prélevés annuellement. Ces réacteurs constituent 70 % des prélèvements d’eau douce des centrales électriques en France. Près de 90 % de l’eau prélevée est toutefois restituée au milieu naturel à proximité du lieu de prélèvement.

Risques et dangers

Risques d'accident

Sarcophage sur le réacteur n^o 4 de Tchernobyl

Centrale de Fukushima Daiichi peu de temps après l'accident

L'« accident majeur » redouté en cas de perte du confinement, et donc de dispersion de matériaux radioactifs dans l’environnement, est la fusion du cœur d'un réacteur nucléaire.

Pour les centrales nucléaires françaises de première génération, l'objectif était d'avoir une probabilité de fusion du cœur inférieure à ⁵⁄₁₀₀₀₀₀ par réacteur et par an. Cette sûreté a été améliorée dans la deuxième génération. La probabilité d’accident de fusion du cœur a été estimée à 1 x 10^-5 par année réacteur d’après une évaluation française d’un accident majeur de « fusion du cœur » dans un REP de 1 300 MWe. Les chiffres pour les centrales allemandes sont comparables. Ce niveau de sûreté était un peu supérieur à celui constaté dans le reste du monde : début 2009, l'industrie nucléaire avait accumulé une expérience totale de 13 000 années x réacteur de fonctionnement.

Plusieurs accidents avec fusion partielle ou totale du cœur se sont produits dans le monde (voir Liste d'accidents nucléaires) :

• 1957 : incendie de Windscale (Royaume-Uni) ;
• 1969 : fusion du cœur à la centrale nucléaire de Lucens (Suisse) ;
• 1969 : fusion partielle du réacteur A1 de la centrale nucléaire de Saint-Laurent (France) ;
• 1979 : accident nucléaire de Three Mile Island (États-Unis) ;
• 1980 : fusion partielle du réacteur A2 de la centrale nucléaire de Saint-Laurent (France) ;
• 1986 : catastrophe de Tchernobyl (Ukraine) ;
• 2011 : accident nucléaire de Fukushima (Japon) ;

Les accidents de Fukushima et Tchernobyl ont été classés au « niveau 7 » « accident majeur » qui est le niveau maximal de l'échelle de classification INES.

Les études de sûreté nucléaire sont contrôlées en France par l'autorité de sûreté nucléaire (ASN) assistée d'un organisme technique, l'IRSN. Les centrales de deuxième génération ont en France un objectif de sûreté cinquante fois plus élevé, de l'ordre d'un accident par million d'années de fonctionnement ; et les EPR doivent démontrer un niveau garanti de sûreté encore dix fois plus élevé, d'un accident majeur pour dix millions d'années de fonctionnement. Pour ce niveau de sûreté, avec un parc mondial vingt fois plus important qu'actuellement (de l'ordre de 500 réacteurs), le niveau de risque serait inférieur à un accident par millénaire. De plus, selon les concepteurs des centrales modernes, un accident de fusion du cœur (s'il survient) devrait rester confiné dans la centrale elle-même et ne conduit pas à une contamination de la population.

La conception des centrales nucléaires de quatrième génération fait l'objet d'une coordination internationale, qui inclut des études de sûreté, et elle vise à s'appuyer sur des conceptions intrinsèquement sûres.

Sur son site, l'Autorité de sûreté nucléaire (ASN) donne les informations relatives aux incidents se produisant dans les centrales nucléaires françaises.

Par ailleurs, Greenpeace alerte depuis plusieurs années sur les risques liés à la sécurité nucléaire dans les centrales françaises.

Le 10 octobre 2017, un rapport de sept personnes mandatées par Greenpeace qui les présente comme des « experts indépendants », mettant en cause la sécurité des installations nucléaires françaises et belges, a été remis aux autorités. Il affirme que les centrales seraient vulnérables face aux risques d'attaques extérieure, en particulier de certaines installations telles que les piscines d'entreposage des combustibles nucléaires usés. Le directeur général de l’Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire (IRSN) relativise la portée du rapport de Greenpeace France sur la sécurité des centrales nucléaires françaises, qui selon lui n’apporte rien de nouveau à la réflexion sur le renforcement de la sécurité des installations nucléaires.

Plusieurs militants de l’association écologiste Greenpeace ont réussi à pénétrer à l'intérieur de l’enceinte de la centrale nucléaire de Cattenom, en Lorraine. Sur place, ils ont allumé un feu d’artifice pour dénoncer le manque de sécurité. Les militants ont été interceptés par les gendarmes avant d'avoir pu atteindre la zone nucléaire.

Risques sanitaires liés à l'énergie nucléaire

Panneau d'avertissement de zone radioactive

En décembre 2007, les résultats de l'étude du « Registre national allemand des cancers de l'enfant » ont été rendus publics par sa directrice Maria Blettner : l'étude indique que l'on observe en Allemagne une relation entre la proximité d'une habitation par rapport à la centrale nucléaire la plus proche et le risque pour les enfants d'être atteints, avant l'âge de 5 ans, d'un cancer ou d'une leucémie. Pour autant, le rayonnement ionisant n'a pas été formellement identifié comme une cause, l'exposition à de faibles doses d'irradiation n'ayant été ni mesurée ni modélisée.

En France, le projet Geocap de l'équipe Inserm U1018-Eq. 6 constatait sur la période 2002-2007, un excès significatif d'incidence des leucémies - un quasi-doublement à 14 cas - aiguës chez les enfants demeurant à moins de 5 km, un résultat qui n'est cependant pas été retrouvé sur les intervalles de temps 1990-2001 et 1990-2007. L’hypothèse d’un mécanisme impliquant les radiations transmises par le panache de fumée des centrales a été écarté, d’autres hypothèses restent à tester. Une étude basée sur une géolocalisation plus précise des cas, publiée dans le British journal of cancer en 2013 a conclu que cet « effet leucémie » était plutôt dû à la proximité des lignes à haute tension (cet effet n'est statistiquement net et observable que chez des enfants vivant à moins de 50 m de l'une de ces lignes). Une association a aussi été trouvée avec une exposition à la pollution routière - pour certaines formes de leucémies uniquement, et quand les enfants habitent près d'une route fréquentée.

Selon un certain nombre d'études, les risques réels pour la santé de l'énergie nucléaire n'ont pas de rapport avec les préjugés pour cette technologie. Une étude parue dans la revue médicale The Lancet, basée sur les résumés des données de communauté médicale mondiale par l'UNSCEAR et l'OMS suggère que l'énergie nucléaire a provoqué moins de décès et de blessés que chacune des autres énergies majeures, qu'elles soient fossiles comme le charbon, pétrole ou gaz, ou dite « renouvelable » comme l'hydroélectricité, logique confirmée par des calculs étendus aux autres renouvelables sur Forbes. Ainsi selon une autre étude du NASA Goddard Institute par le climatologue et lanceur d'alerte James E. Hansen, l'utilisation de cette énergie a permis d'éviter 1,84 million de décès prématurés sans compter les risques liées à l'émission de 64 milliards de tonnes d'équivalent-CO₂, comme un changement climatique brutal.

Gestion des risques climatiques en France

Les risques climatiques sont l'une des préoccupation de la gestion des risques. En France, le programme de recherche AGORAS, soutenu par l'ANR, porte sur les « régimes de régulation » de trois grands types de risques climatiques pouvant affecter les centrales nucléaires : inondation/tempête, grands froids et grands chauds, et sur leur dynamique d’évolution, via l’analyse des guides, référentiels, etc. qui contribuent à la caractérisation et à la gestion des risques. Cette étude cite l'épisode des 27 et 28 décembre 1999, où de nuit une surcote exceptionnelle a remonté la Gironde en inondant la centrale nucléaire du Blayais, causant la perte de plusieurs sources d'alimentation électrique, de systèmes de sauvegarde et l'inaccessibilité du site.

Le réchauffement climatique (resenti notamment, en France, par les canicules de 2003 et 2006) a révélé la dépendance des centrales thermiques à la disponibilité en eau de refroidissement en quantité suffisante. Presque toutes les centrales ont dû demander en urgence une dérogation pour rejeter des eaux plus chaudes que ce qu'autorise la réglementation (à savoir 28 °C, voir ci-dessus section Rejets thermiques). Certains réacteurs ont dû être mis à l'arrêt ou diminuer leur puissance à un moment où la demande en électricité pour la climatisation et la réfrigération était élevée.

Parfois, EDF doit puiser dans le lac de Vassivière pour alimenter la Vienne. Par ailleurs, la France est en conflit avec le canton de Genève (Suisse), qui lui reproche de tirer trop d'eau du lac Léman, afin que le Rhône, qui s’est réchauffé de 2 °C de 1920 à 2010, puisse refroidir les 14 réacteurs implantés sur ses berges, dont ceux de la centrale nucléaire du Bugey. Ainsi, en 2011, à la suite de la sécheresse, Genève a diminué le débit de sortie du lac Léman pour maintenir son niveau, ce qui a contraint la centrale du Bugey à réduire sa production d’électricité.

Le plan national d'adaptation au changement climatique émet des recommandations dans ce domaine et EDF prépare ses centrales nucléaires aux canicules. Le problème de la température des cours d'eau concerne aussi les centrales à gaz. Qu'elles soient nucléaires ou pas, il faudra réfléchir à la façon d'adapter les centrales pour le XXI^e siècle. Les centrales en bord de mer seront moins exposées aux risques liés aux vagues de chaleur et de sécheresse, mais elles seront davantage menacées par la montée des eaux et la submersion ; de plus, si on les plaçait toutes en bord de mer, on aurait un problème de réseau car les centrales en bord de mer sont toutes situées au nord. Lors des canicules, l'éolien contribue rarement résoudre le problème car on est en situation anticyclonique : ainsi, lors de la canicule de juillet 2019, l'éolien est pratiquement à l'arrêt, faute de vent ; à l'inverse, le photovoltaïque assure 10 % de la production d'électricité selon RTE, cinq fois plus que d'habitude.

Les canicules affectent aussi la fonction des tours aéroréfrigérantes. Le réchauffement climatique devrait encore induire un recul de 10 à 40 % des débits des cours d'eau français à horizon 2050-2070 comparé à 2019, alerte le ministre en charge de la Transition énergétique. L'IRSN a constaté en 2003 et 2006 que la climatisation de locaux abritant des matériels importants pour la sûreté n'a pas pu les maintenir aux températures prévues par le règlement. EDF s'est doté d'une cellule de « veille climatique » (sur les prévisions de température de l'air, mais aussi des cours d'eau utilisés pour le refroidissement) et a lancé à partir de 2008, en complément d'un plan « Grand froid », un plan « Grand Chaud » (environ 500 millions d'euros et 200 millions d'euros d'études d'impact sur l'environnement local entre 2008 et 2020), procède à un nettoyage des tours aéroréfrigérantes et des canalisations pompant et rejetant l'eau, et change ou renforce les ventilateurs pour les adapter à des températures de l'air de 43 °C. L'IRSN a autorisé le test de groupes Diesel lors de prochaines canicules, afin de s’assurer de la puissance fournie par ceux-ci lors des grandes chaleurs. Le plan prévoit cinq niveaux d'alerte (« veille », « vigilance », « pré-alerte », « alerte » puis « crise nationale »). Des moyens mobiles de réfrigération sont prévus, de même que des procédures de dérogation aux autorisations de rejets. L'IRSN, notant que ce plan pourrait ne pas suffire si le scénario pessimiste du GIEC se réalise (+ 5°C en 2100, c’est à dire au-delà de la durée de vie prévue en 2019 pour les centrales nucléaires en service), a demandé à EDF de revoir à la hausse ses scénarios de températures extérieures. Néanmoins, en juillet 2019, l’IRSN « considère que les modifications engagées par EDF sont suffisantes pour gérer la situation, même si les épisodes caniculaires se reproduisent (…) Sous réserve des essais sur les Diesels ».

Débat politique sur l'énergie nucléaire

Manifestation près de la centrale nucléaire de Gösgen (Suisse) en 2010.

L'utilisation du nucléaire pour la production d'électricité est le sujet qui anime les conflits d'opinion les plus intenses, eu égard aux risques et déchets qu'elle engendre.

Démantèlement

Après l'arrêt définitif de l'exploitation, une centrale nucléaire est en principe entièrement démantelée, y compris les réacteurs nucléaires.

Début 2017, en France, sur les 17 réacteurs de puissance arrêtés définitivement depuis 1968, et plus d'une trentaine de réacteurs de recherche, aucun n'a été complètement démantelé. Le stockage des déchets issus du démantèlement pose des problèmes de gestion des déchets radioactifs en France, comme pour les déchets de graphites issus de la filière uranium naturel graphite gaz aujourd'hui démantelée. Enfin, le coût du démantèlement en France est sous-estimé par l'exploitant EDF selon un rapport parlementaire datant de 2017.

En juin 2019, l’AIEA dénombre 176 réacteurs nucléaires électrogènes arrêtés définitivement, dont 36 aux États-Unis, 30 au Royaume-Uni, 29 en Allemagne, 23 au Japon, 12 en France, 8 en Russie et 6 au Canada, ainsi que 449 réacteurs en fonctionnement ou en arrêt provisoire et 54 réacteurs en construction dans le monde.

Coûts et économie

Les coûts du nucléaire selon différentes études.

Le prix du kilowatt-heure nucléaire est une notion complexe, car il s'agit d'un investissement lourd et à longue échéance. Le prix varie selon les sources, donnant pour certaines le nucléaire comme moins coûteux ; le donnant selon d'autre comme plus coûteux. Un organisme indépendant de recherche et de conseils en énergie a conclu en 2005 que, en tenant compte des frais de démantèlement des réacteurs et de gestion des déchets, le nucléaire est plus coûteux et hasardeux que tout autre moyen de production d'électricité. Selon un ouvrage rédigé en 2005 (avant la libéralisation du marché de l'électricité en Europe), dans les pays dotés d'un marché compétitif de l'énergie, peu de compagnies investissaient dans le nucléaire, plutôt développé dans des pays à monopole énergétique ; au début du XXI^e siècle, des sociétés comme British Petroleum et Shell Oil, voyant venir la fin du pétrole, n'investissaient pas dans le nucléaire mais dans les énergies renouvelables, projets à plus court terme et plus avantageux car subventionnés. Pour diverses raisons, les compagnies d'assurance refusent d'assurer les réacteurs.

Le poids prépondérant de la puissance publique n'est pas limité au nucléaire, il s'étend à l'ensemble du secteur énergétique : selon l'Agence internationale de l'énergie, « sur les 2 000 milliards de dollars d’investissement dans l’approvisionnement énergétique nécessaires chaque année, plus de 70 % proviennent d’entités contrôlées par les États ou dont les revenus sont garantis totalement, ou partiellement, par la loi. Les cadres institués par les pouvoirs publics déterminent également le rythme des progrès de l'efficacité énergétique et de l'innovation technologique. Les politiques et les choix adoptés par les gouvernements aujourd’hui jouent un rôle fondamental pour déterminer le futur des systèmes énergétiques. »

En 2007, en Lituanie, les coûts de construction d'un site d'une capacité de 800 à 1 600 MW ont été estimés entre 2,4 et 4 milliards d'euros.

Projets de recherche

Le Forum international Génération IV organise la coopération internationale sur les recherches visant à développer de nouveaux concepts de réacteur dits de quatrième génération.

Plus récemment, un grand nombre de projets ont été lancés, dans la plupart des pays déjà dotés d'une industrie nucléaire, pour développer des concepts de petits réacteurs modulaires, dont la taille réduite, la conception modulaire et les méthodes de fabrication à la chaîne en usine pourraient faciliter le financement et abaisser le coût.

Réacteurs de quatrième génération

Parmi les six concepts retenus par le Forum international Génération IV pour la phase de recherche et développement, les plus étudiés sont les suivants.

Réacteurs rapides refroidis au sodium

En France, le surgénérateur Phénix fonctionnait en 2006 pour une puissance de 233 MWe. Compte tenu d'une forte opposition politique, la filière surgénération a subi un moratoire (le réacteur Superphénix français a été fermé prématurément). Cependant, grâce à l'utilisation d'une plus grande proportion d'uranium naturel par ce type de réacteur et pour économiser cette ressource, cette filière est celle qui sera le plus probablement mise en œuvre en premier en France comme réacteur de quatrième génération (projet ASTRID).

Réacteurs à très haute température

Un réacteur à très haute température (RTHT) est un réacteur qui permet de produire de la chaleur à très haute température (environ 1 000 °C), laquelle peut ensuite être utilisée telle quelle ou pour fabriquer de l'électricité ou de l'hydrogène, voire combiner ces usages en cogénération.

Les réacteurs à haute température (HTR) ou très haute température (VHTR) offrent un concept original développé dans les années 1960 à 1980. Plusieurs réacteurs HTR ont été construits à cette période et ont fonctionné, dont deux réacteurs de puissance en Allemagne et aux États-Unis à 300 et 330 MWe. Leur concept modulaire permet, en cas d'accident, d'évacuer la chaleur uniquement par rayonnement thermique, sans qu'il soit nécessaire d'adjoindre au réacteur des systèmes de refroidissement de secours, particulièrement coûteux. Un atout majeur des HTR et des futurs VHTR est leur combustible exceptionnellement robuste, constitué de particules de un millimètre de diamètre composées d'un noyau fissile et de plusieurs couches d'enrobage qui retiennent les produits de fission jusqu'à au moins 1 600 °C. Par ailleurs, la conception des HTR, avec un modérateur (graphite) indépendant du réfrigérant (hélium), leur permet de brûler de façon très souple toute espèce de noyaux fissiles. Ce type de réacteur est en particulier un excellent brûleur de plutonium, détruisant environ 70 % de la quantité introduite dans le cœur et plus de 90 % de ses isotopes fissiles.

En Chine, l’Université Tsinghua a lancé en 2012 la construction d'une centrale nucléaire dotée d’un réacteur nucléaire de démonstration à très haute température refroidi à l’hélium (RTHT) d'une puissance de 200 MW. Située à Rongcheng, dans la province du Shangdong à l’est de la Chine, la centrale nucléaire devait être mise en service à la fin de 2017. Conçu pour que le cœur n'entre pas en fusion, son réacteur serait l'un des plus sûrs du monde. La centrale nucléaire contenant le RTHT devrait accueillir six réacteurs connectés à une seule turbine à vapeur, avec un rendement énergétique de 43,7 %.

Réacteurs à sels fondus

Le projet le plus avancé est le réacteur intégral à sels fondus développé par la société canadienne Terrestrial Energy. D'autres projets sont en développement en Chine, aux États-Unis, au Royaume-Uni, etc.

Voir aussi

Articles connexes

• Principes : Production d'électricité, Énergie nucléaire, Cycle du combustible nucléaire, Radioactivité, Empoisonnement au xénon.
• Équipements : Liste des réacteurs nucléaires en France, Réacteur nucléaire, Liste de réacteurs nucléaires, Réacteur pressurisé européen (EPR), Réacteur de grande puissance à tubes de force (RBMK), construit à Tchernobyl, Centrale nucléaire en France.
• Risques : Accident nucléaire, Liste d'accidents nucléaires, Catastrophe de Tchernobyl, Syndrome chinois.
• Débats : Débat sur l'énergie nucléaire, Sortie du nucléaire civil, Prolifération nucléaire.
• Recherche : Réacteur nucléaire à sels fondus, Cycle du combustible nucléaire au thorium.

Bibliographie

• Science et Vie hors-série, Enquête, ce que va devenir le parc actuel. Dossier 2003-2100, le siècle du nucléaire, décembre 2003
• D. Hubert, Risque de cancer à proximité d'installations nucléaires : études épidémiologiques, Radioprotection, Vol. 37, n^o 4, [PDF], p. 457
• G. Niquet, C. Mouchet et C. Saut, Les centres nucléaires et le public : communication, information, Radioprotection, Vol. 39, n^o 4, [PDF], p. 475
• Jaime Semprun, La Nucléarisation du monde, Éd. Gérard Lebovici, 1986 (ISBN 2-85184-172-6)
• Arnaud Michon, Le Sens du vent : Notes sur la nucléarisation de la France au temps des illusions renouvelables, éditions de l'Encyclopédie des Nuisances, 2010 (ISBN 2910386368)
• Claude Dubout, Je suis décontamineur dans le nucléaire, éditions Paulo-Ramand.
• D. Florence, P. Hartmann, Les rejets radioactifs des centrales nucléaires et leur impact radiologique. Journées SFRP « L'évaluation et la surveillance des rejets radioactifs des installations nucléaires », 13-14 novembre 2002, Strasbourg (France).
• FV. ournier-Bidoz, J. Garnier-Laplace, Étude bibliographique sur les échanges entre l’eau, les matières en suspension et les sédiments des principaux radionucléides rejetés par les centrales nucléaires. Rapport IPSN, SERE 94/073, 1994, Cadarache
• C. Adam, Cinétiques de transfert le long d’une chaîne trophique d’eau douce des principaux radionucléides rejetés par les centrales nucléaires en fonctionnement normal (137Cs, 60Co, 110mAg, 54Mn). Application au site de Civaux sur la Vienne Thèse de doctorat, Univ. Aix Marseille I, 1997
• Hubert Reeves et Frédéric Lenoir, Mal de Terre, Paris, Éditions du seuil, Coll. Science Ouverte, 2005, 261 p.

Liens externes

• (en) Les réacteurs nucléaires en construction dans le monde, Agence internationale de l'énergie atomique
• « Géopolitique du Nucléaire », sur 2000watts.org
• « Panorama de l'électricité », EDF
• « Les différents types de réacteurs », CEA