Centrale nucléaire : fonctionnement, débat et perspectives

En France, le nucléaire est la première source de production d'électricité. Pour cette raison, la construction de centrales nucléaires nouvelle génération est d'ailleurs en cours sur notre territoire. L'objectif : moderniser l'industrie nucléaire afin de réduire les émissions de CO2 de la France et préserver son indépendance énergétique.

Pour autant, les centrales nucléaires font l'objet de moult débats depuis des décennies.

Mais de quoi s'agit-il exactement ? Comment fonctionne une centrale nucléaire ? Combien existe-il de centrales en France et à travers le monde ? Quel avenir pour le nucléaire ?

Toutes les réponses dans cet article.

Centrale nucléaire, définition

Une centrale nucléaire est une usine où on produit de l’électricité par l'intermédiaire de la fission nucléaire.

Pour ceux qui ignoreraient ce qu'est la fission nucléaire, commençons par rappeler que tout ce qui nous entoure est composé d’atomes. Ces fameux atomes possèdent tous un noyau, lequel peut potentiellement produire une grande quantité d'énergie lorsqu'il est explosé. C'est tout le principe de la fission nucléaire.

La fission nucléaire implique nécessairement l’usage d’uranium. De façon très prosaïque, l'uranium est un élément constitué d’atomes lourds instables, issus de certaines roches. Toutefois, seul l'uranium 235 est fissible. C’est donc celui utilisé par les centrales nucléaires.

L'énergie dégagée par la fission est tout bonnement gigantesque. Pour se faire une idée, 1 gramme d'uranium 235 libère autant d'énergie que la combustion de plusieurs tonnes de charbon. En outre, les neutrons libérés disposent eux-mêmes d'une très grande énergie. Ralentis, ils peuvent provoquer de nouvelles fissions. Au sein d'un réacteur nucléaire, la réaction s'auto-entretient.

Fission nucléaire vs fusion nucléaire

Gare à ne pas confondre fission et fusion nucléaire. Si toutes deux dégagent de l'énergie, il s'agit bien de deux phénomènes physiques au fonctionnement distinct.

Pour simplifier, la fusion nucléaire est le phénomène qui se produit notamment au cœur du Soleil et des étoiles. Et s'il peut être reproduit par les scientifiques, ce n'est pas celui qui intervient au sein d'une centrale nucléaire.

Dans le cadre de la fusion nucléaire, le deutérium et le tritium (deux isotopes lourds d’hydrogène) fusionnent à plusieurs millions de degrés. Un noyau instable se forme ainsi. Or, pour retrouver une stabilité, ce noyau doit éjecter un atome d’hélium et un neutron. Un processus induisant la génération d'énergie.

Le recours à l'énergie nucléaire prête à débat depuis des décennies. Au premier rang des préoccupations des anti-nucléaires : la dangerosité de cette énergie. Une dangerosité évidemment relativisée par les pro-nucléaires.

Pour en savoir plus sur le débat autour de l'énergie nucléaire, n'hésitez pas à consulter notre article dédié.

Le fonctionnement d'une centrale nucléaire repose sur l'interaction entre trois circuits : le circuit primaire, secondaire et de refroidissement.

Le circuit primaire

Le circuit primaire est un circuit fermé au sein duquel se trouve le réacteur. À l'intérieur de ce dernier, la fission des atomes d'uranium génère une grande quantité de chaleur. Celle-ci permet de faire grimper la température de l'eau qui circule autour du réacteur à pas moins de 320 °C.

Le circuit secondaire

Le circuit secondaire est lui aussi un circuit fermé, avec lequel le circuit primaire communique toutefois via un générateur de vapeur. À ce stade, l'eau chaude issue du circuit primaire chauffe l'eau du circuit secondaire et la transforme en vapeur. La pression de cette vapeur enclenche une turbine, laquelle enclenche à son tour un alternateur qui produit un courant électrique alternatif.

Le circuit de refroidissement

Une fois hors de la turbine, la vapeur se voit à nouveau transformée en eau via un condenseur dans lequel circule justement de l'eau froide en provenance d'une source extérieure (fleuve, mer, etc.).
En fonction du débit de cette source extérieure, la centrale nucléaire présentera ou non une tour aéroréfrigérante.

En effet, il existe deux types de système de refroidissement :

• le refroidissement en circuit fermé : si le fleuve ou la rivière présente au débit limité, l'eau sera refroidie par le biais d’une tour aéroréfrigérante, grâce au courant d’air qui monte à l’intérieur ;
• le refroidissement en circuit ouvert : si le fleuve présente un débit important ou si l'eau est prélevée dans la mer, elle y est intégralement rejetée après passage dans le condenseur de la turbine.

Selon le site Statista, en 2022, on comptait 364 réacteurs nucléaires opérationnels dans le monde :

• 93 aux États-Unis ;
• 56 en France ;
• 53 en Chine ;
• 37 en Russie ;
• 33 au Japon ;
• 24 en Corée du Sud ;
• 22 en Inde ;
• 19 au Canada ;
• 15 en Ukraine ;
• 12 au Royaume-Uni.

En 2023, 59 nouveaux réacteurs étaient en construction, dont 43 de conception russe ou chinoise.

Les centrales nucléaires nouvelle génération

Une centrale nucléaire qui repose sur la technologie EPR 

Les "centrales nucléaires nouvelle génération" - dites "évolutionnaires" - désignent les réacteurs nucléaires de troisième génération. 

Leur conception repose sur celle de deux types de réacteurs existants :

• les NA français ;
• les Konvoi allemands.

Fort du retour d'exploitation de ses prédécesseurs et de l'utilisation de technologies éprouvées, ce modèle jugé plus sûr et performant est construit pour une durée de fonctionnement de 60 ans - contre 40 ans pour les réacteurs actuels.

Zoom sur les différentes générations des centrales nucléaires 

L'élaboration de la technologie EPR repose sur le fonctionnement des centrales nucléaires antérieures. Divisée en plusieurs catégories, chaque génération s'illustre évidemment par des avancées technologiques en matière de fonctionnement, de sûreté ou de cycle de combustible, tout en répondant aux critères d'exigences de sa propre époque.

Leurs caractéristiques sont les suivantes :

• la génération I englobe les réacteurs entrés en service en France dans les années 1970. D'une puissance comprise entre 50 et 500 MWe, ce sont des réacteurs qui utilisaient l'uranium naturel et étaient refroidis à l'eau ;
• la génération II désigne les réacteurs à eau sous pression (REP) construits entre la fin des années 1970 et les années 1990. Encore à l'origine de la production de la majorité de l'électricité nucléaire dans le monde (utilisant un uranium enrichi à 3 et 4 %), ils ont été déployés suite à la crise pétrolière responsable de l'augmentation du coût des combustibles fossiles. À l'époque, leur rôle consistait à améliorer la compétitivité de la France et à favoriser l'indépendance énergétique du pays.

Les réacteurs de troisième génération sont supposés être plus respectueux de l'environnement et plus compétitifs que leurs prédécesseurs.

Les 4 arguments en faveur des centrales nucléaires nouvelle génération

1. La puissance 

Plus puissante, la centrale nucléaire troisième génération atteint une capacité de production de 1 650 mégawatts - contre 1 450 MW pour les modèles les plus récents construits en France. La fission nucléaire et l'eau sous pression permettent de produire 22 % d'électricité supplémentaire par rapport à un réacteur traditionnel. En définitive, la production annuelle d'une centrale est de l'ordre de 13 TWh. 

En outre, le rendement thermique s'élève à 37 % contre 33 % pour les réacteurs de deuxième génération. Cela est possible grâce à l'augmentation de la pression du circuit secondaire - passant de 65 à 78 bars.

2. Le niveau de sécurisation

À noter : en 1998, l'Allemagne a abandonné le développement de l'énergie nucléaire.

Dans l'optique de sortir de terre une infrastructure plus sécurisée, les créateurs de ce réacteur nucléaire nouvelle génération ont tiré les enseignements des accidents nucléaires précédents - à l'image de Tchernobyl en Ukraine et de Three Mile Island aux États-Unis.

Selon les informations issues de l'Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire, une centrale nucléaire troisième génération dotée de la technologie EPR est composée :

• d'une épaisse enveloppe de confinement en béton (2,6 mètres d'épaisseur) qui protège le réacteur et confine la matière nucléaire à l'intérieur de l'infrastructure ;
• de systèmes de sauvegarde diversifiés et physiquement séparés ;
• d'une capacité à fonctionner en toute occasion - même dans le cas où l'alimentation électrique est totalement perdue ;
• de systèmes indépendants de refroidissement d'urgence du cœur ;
• d'éléments plus robustes afin de faire face aux agressions internes et externes (explosion, séisme, crash d'avion, etc.).

Ces éléments doivent permettre de réduire le risque d'accident nucléaire grave - qu'il soit accidentel ou intentionnel - et protéger la population.

3. L'impact environnemental 

Conçus et développés dans les années 1990, ces réacteurs EPR mettent à profit des technologies plus récentes, sûres et produisent moins de déchets.

Par kWh produit, ce type de centrale nucléaire consommerait 7 à 15 % d'uranium en moins que les réacteurs de seconde génération.
De plus, l'EPR serait en mesure d'utiliser 100 % de combustibles MOX recyclés (un mélange d'oxydes d'uranium et de plutonium), permettant de réduire de 10 % la quantité de déchets à vie longue produite par kWh.

Concernant son empreinte carbone, la Taxonomie considère ce type d'infrastructure comme une énergie verte de par ses faibles émissions de CO2. À titre d'illustration, les EPR déjà en service en Chine et au Royaume-Uni évitent respectivement le rejet de 21 et de 18 millions de tonnes de CO2 par an.

Enfin, selon les calculs de sûreté, le rejet significatif de radioactivité dans l'atmosphère en cas d'accident majeur est dix fois plus faible qu'avec les réacteurs nucléaires actuels. Concernant les sols, le réacteur est fixé sur une plaque de béton de six mètres d'épaisseur - « un récupérateur de corium ». Celle-ci protège le sol de la pollution provoquée par une fuite de matière nucléaire, suite à un accident de fusion du cœur.

4. Le soutien à l'indépendance énergétique de la France 

Le nucléaire pourrait permettre de réduire la dépendance de la France vis-à-vis des pays producteurs de gaz (la Russie, notamment). 

Pour cette raison, les EPR ont vocation à progressivement remplacer les réacteurs installés dans les années 80, avant d'être eux-mêmes remplacés par des EPR 2. 

Toutefois il est à noter que l'uranium nécessaire au fonctionnement d'une centrale nucléaire deuxième ou troisième génération est importé à 100 %. D'un autre côté, selon les scénarios élaborés par le gestionnaire du Réseau de Transport d'Électricité français (RTE) pour atteindre la neutralité carbone en 2050, la mise en service de 14 EPR permettrait :

• de se substituer aux énergies fossiles (les EPR seront capables de produire 20 des 40 % de nucléaire compris dans le mix énergétique du second scénario) ;
• de répondre à la forte demande en électricité ;
• de remplacer les réacteurs nucléaires actuels atteignant les 40 ans d'exploitation ;
• d'assurer l'approvisionnement et l'indépendance énergétique de la France.

Où se trouvent les centrales nucléaires nouvelle génération ?

En France 

À ce jour, une centrale nucléaire EPR est en construction dans la commune de Flamanville située dans la Manche. Malheureusement, le projet EPR français ne se déroule pas comme prévu. 

À date (et depuis 2007), la tranche 3 de la centrale nucléaire de Flamanville - située dans La Manche - est le seul EPR en construction en France.

Toutefois, le chantier accumule les retards : le chargement du combustible devait être terminé en 2012, mais son achèvement a finalement été reporté à la mi-2024.

En outre, il coûte quatre fois plus cher que le budget prévu à l'origine (12,7 milliards d'euros contre 3,3 milliards d'euros en 2007). De fait, ce projet est considéré comme un véritable « échec opérationnel » par la Cour des comptes.

Dans le monde 

Il existe trois EPR en service dans le monde : deux sont situés en Chine (à Taishan plus précisément) et un en Finlande. Le pays d'Europe du Nord est le premier à avoir opté pour ce type de réacteur pour la construction de sa cinquième centrale nucléaire.

Deux centrales nucléaires sont en construction à Hinkley Point, dans le sud-ouest du Royaume-Uni. En outre, l'Inde et le Royaume-Uni souhaitent lancer huit nouveaux projets.

Une quatrième génération à l'étude 

En raison du chantier sans fin de Flamanville - victime de couacs à répétition - l'attention se focalise sur les réacteurs de quatrième génération encore à l'étude. 

Surnommés les EPR 2 (ou “EPR NM” pour “Nouveau Modèle”), ces centrales ne sont ni plus ni moins que des formats évolués des EPR.

Les membres du Forum international Génération IV ont retenu six technologies pouvant être utilisées par ce type de réacteur :

• les réacteurs nucléaires à neutrons rapides (qui correspondent à trois technologies composées soit d'un circuit de refroidissement au gaz, d'un refroidissement au sodium ou d'un refroidissement au plomb) ;
• les réacteurs nucléaires à eau supercritique (RESC) ;
• les réacteurs nucléaires à très haute température (RTHT) ;
• les réacteurs nucléaires à sels fondus (RSF).

En bref, ce nouveau type de centrale conserve le fonctionnement de l'EPR initial, mais s'avère encore plus sécurisé, abordable, simple à construire, performant et économe en combustible.

Les réacteurs nucléaires de quatrième génération devraient entrer en fonctionnement entre 2040 et 2050.

Six réacteurs prochainement en construction 

Lors de sa campagne de 2022, Emmanuel Macron partageait son souhait de relancer la filière nucléaire en France avec la construction de six réacteurs EPR 2 d'ici 2050. Deux devraient voir le jour à Penly, deux à Gravelines et deux dans la vallée du Rhône (l'ajout de deux EPR dans la centrale nucléaire de Cattenom en Moselle ayant été refusé par le gouvernement français).

Cette promesse a fait l'objet d'un projet de loi présenté le 26 septembre 2022 au Conseil national de la transition écologique et adopté le 21 mars 2023. Ce dernier vise à accélérer le chantier en allégeant temporairement certaines procédures administratives.

Ainsi, les réacteurs nucléaires se verront attribuer le statut de priorité politique absolue leur permettant d'être reconnus d'intérêt public majeur. Ce statut permet aux infrastructures d'échapper à certaines dispositions du Code de l'environnement et à la loi littoral.

En l'état, le chantier de ces EPR 2 débuterait en 2027, pour une exploitation du premier réacteur espérée aux alentours de 2035. En outre, les travaux des bâtiments qui n'abriteront pas de matière radioactive pourront commencer avant la fin de l'enquête publique.

À long terme, le gouvernement envisage la construction de huit réacteurs supplémentaires. L'objectif étant de sortir des énergies fossiles et de contribuer à l'atteinte de la neutralité carbone en 2050. Toujours dans cette optique, en décembre 2023, Emmanuel Macron a annoncé le lancement de 8 projets de SMR (Small Modular Reactor) dans le cadre du plan France 2030.

NB : Les SMR et les AMR (Advanced Modular Reactor) sont des petits réacteurs modulaires de faible puissance (entre 20 et 300 MWe par unité). Ils sont généralement considérés comme complémentaires des réacteurs de grande à moyenne puissance.

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