Nucléaire: Les centrales atomiques à la loupe

Le point de vue technique sur la sécurité des centrales et le traitement des déchets introduit la confrontation entre partisans et opposants de l’énergie nucléaire en Suisse qui aura lieu dans les prochains numéros de Domaine Public.

Un réacteur nucléaire est constitué pour l’essentiel de quatre composantes: le combustible nucléaire, le plus souvent sous forme de barreaux d’oxyde d’uranium; le fluide qui véhicule la chaleur; le modérateur; et les gaines qui entourent les barreaux de combustible, et divers matériaux de structure.
C’est dans l’uranium que se déroulent les réactions de fission nucléaire. Elles s’accompagnent d’un dégagement important d’énergie et de l’émission de neutrons rapides, de haute énergie, qui induisent à leur tour de nouvelles fissions (la fameuse réaction en chaîne). C’est sous forme calorifique que l’énergie est emportée par le fluide caloporteur qui circule le long des barreaux de combustible. Quant au modérateur, il permet de ralentir les neutrons, ce qui les rend plus efficaces pour produire des fissions, alors que le gainage des barreaux est là pour empêcher les produits de fission – éléments radioactifs résultant de la «cassure» du noyau d’uranium – de migrer vers l’extérieur.

La sécurité

La Suisse et la plupart des pays industriels, sauf le Canada, exploitent des réacteurs à eau ordinaire qui utilisent de l’uranium enrichi (c’est-à-dire contenant de l’U-235 en proportion plus élevée que dans la nature). Dans ces réacteurs l’eau joue à la fois le rôle de véhicule de la chaleur et de modérateur, ce qui leur assure une grande stabilité; un emballement de la réaction en chaîne est pratiquement impossible. Or, ce n’est pas le cas de tous les types de réacteurs ; ceux qui ne remplissent pas cette condition ne sont pas acceptés par les autorités de sécurité, du moins en Occident. Ignorer cet aspect peut conduire à une catastrophe (Tchernobyl). Par ailleurs, la température de l’eau, qui doit être supérieure à 300 degrés pour que l’installation ait un rendement thermodynamique raisonnable, nécessite un caisson résistant à des pressions élevées (au moins septante fois la pression atmosphérique). Pour cette raison il est constitué d’épaisses viroles en acier.
L’accident le plus grave envisageable dans nos centrales est lié plutôt à un défaut du système de refroidissement et c’est la chaleur résiduelle qui est alors en cause. A l’arrêt du réacteur, le combustible dégage encore de la chaleur ; l’émission de radioactivité par les produits de fission qui s’y sont accumulés en est responsable. Cette source de chaleur, qui atteint initialement 7% de la puissance nominale du réacteur, décroît lentement. Si l’accident envisagé ci-dessus devait se produire, différents dispositifs d’injection d’eau seraient automatiquement mis en œuvre pour maintenir le refroidissement nécessaire.
D’une manière générale, la sécurité nucléaire repose ainsi sur le principe des barrières successives (principe des «poupées russes»): les gaines des éléments combustibles, les parois des circuits de refroidissement et l’enceinte de confinement s’opposent chacune à la migration des produits de fission vers l’environnement. Le gainage suffit largement durant le fonctionnement normal d’un réacteur et l’enceinte de confinement constitue l’ultime barrière (la dernière, c’est-à-dire la plus extérieure, des «poupées russes» emboîtées) au cas où l’accident grave décrit plus haut ne pourrait être maîtrisé. C’est cette enceinte en forme de cloche que l’on voit lorsqu’on s’approche d’une centrale nucléaire. Construite en béton elle coiffe le réacteur qui est mis en dépression par rapport à l’environnement pour éviter toute fuite de produits radioactifs gazeux vers l’extérieur.
La comparaison des deux seuls accidents graves que les centrales commerciales aient connus, Harrisburg (USA, 1979) et Tchernobyl (URSS, 1986), illustre bien ce qui précède: dans ces deux centrales, devenues inutilisables, le combustible a fondu dégageant une très forte radioactivité. A Harrisburg on n’a pas observé d’impact sur l’environnement et ceci grâce à la présence d’une enceinte de confinement dont le réacteur de Tchernobyl était dépourvu, avec les conséquences que l’on connaît.

Les déchets nucléaires

Les éléments combustibles (96% d’uranium, 1% de plutonium plus 3% de produits de fission) séjournent 3 à 4 ans dans un réacteur. Ils sont alors très radioactifs et ne peuvent être manipulés qu’à distance puis transportés dans des hottes comportant d’épaisses couches de plomb. Alors que seule une faible partie de l’uranium a été consommée, ce dernier contient encore 1% d’U-235, contre 3% au départ (0,7% dans la nature), le plutonium – un isotope artificiel, qui a le mérite d’être fissile – résulte de captures neutroniques dans l’uranium. Un noyau atomique qui absorbe un neutron (une des nombreuses réactions nucléaires possibles) peut en effet se transformer en un noyau d’un autre élément chimique (la vieille quête des alchimistes – transformer le plomb en or – malheureusement totalement impossible à réaliser par des procédés chimiques !). Finalement, les produits de fission, responsables de la radioactivité du combustible, ont des vies qui vont de quelques minutes à plusieurs siècles. Les barreaux de combustible sont regroupés dans des assemblages qui peuvent être gardés tels qu’ils sont, ils constituent alors les déchets ultimes, ou être récupérés et traités.
Avec la première solution le volume de déchets est important et l’on met définitivement au rebut des éléments qui ont encore une grande valeur énergétique. Dans le deuxième cas, les déchets ne représentent plus que les produits de fission.
En Europe, en Suisse en particulier, c’est cette solution qui a été retenue jusqu’ici. Elle nécessite des usines de retraitement du combustible, comme celles de La Hague en France ou de Sellafield en Grande Bretagne. Quand un pays envoie du combustible irradié dans l’une de ces usines, il s’engage à en récupérer non seulement les «parties nobles» mais aussi les déchets dont il devra s’occuper. Pour isoler définitivement les déchets de la biosphère, on va imiter la nature en incorporant intimement les déchets de haute activité à une matrice de verre (procédé dit de «vitrification») ce qui réduit leur volume (deux ou trois mètres cubes seulement par an et par centrale de 1000 MW). Dans ces conditions le stockage géologique, à des profondeurs de 1000 à 2000 mètres, devient envisageable. Bien qu’il n’y ait pas urgence, les études sur ce dernier mode de stockage se poursuivent depuis plusieurs années déjà. L’étanchéité des roches et l’absence d’eau d’infiltration sont des éléments essentiels du choix. En Suisse, plusieurs sites répondent à ces conditions.
Des études à plus long terme portent sur l’élimination radicale des déchets. Il s’agirait de transmuter les éléments les plus dangereux – c’est-à-dire de transformer par bombardement neutronique les noyaux initiaux en noyaux d’autres éléments chimiques, selon le procédé «alchimique» décrit plus haut – dans des réacteurs spéciaux, ce qui n’est toutefois pas économiquement réalisable aujourd’hui.

Jacques Ligou, professeur retraité de l’Institut de Génie Atomique de l’EPFL.

Dr Pierre-André Haldi, adjoint scientifique, chargé de cours à l’EPFL et au Laboratoire des systèmes énergétiques (LASEN).

Le nucléaire en Suisse c’est ?:

- près de 38% (représentant environ 25 milliards de kWh) de la production d’électricité en moyenne annuelle;
- l’équivalent de la production de plus de 40 000 centrales photovoltaïques du type de celle du Mont-Soleil, commune de Saint-Imier, soit une surface équivalente de panneaux solaires de plus de 180 km2 (six à sept fois la surface occupée en Suisse par les autoroutes) ;
- l’équivalent de la production de plus de 28 000 éoliennes du type le plus puissant installé au Mont-Crosin s/Saint-Imier;
- une «économie» annuelle de plus de 10 millions de tonnes de CO2 par rapport à la même production réalisée à partir de centrales fonctionnant au gaz naturel (et près du double s’il s’agissait de centrales au charbon) ;
- une économie de l’ordre de 25 milliards de francs par an sur les coûts de production par rapport à une production d’électricité solaire photovoltaïque équivalente ou de 4 milliards de francs par an par rapport à une production d’origine éolienne.