Centrale nucléaire : définition et historique

Lorsque l’on évoque les centrales nucléaires, de quoi parle-t-on ? A quoi sert exactement ce type de site industriel ?

Qu’est-ce qu’une centrale nucléaire ?

Le paysage énergétique en France est composé de multiples sites de production d’électricité : barrages hydrauliques, centrales thermiques, panneaux photovoltaïques, éoliennes, etc. Ainsi que de centrales nucléaires, objet de notre article, qui occupent une place centrale dans la production d’électricité en France, grâce à l’énergie nucléaire.

Le rôle principal d’une centrale nucléaire est de produire de l’électricité via une source d’énergie fissile : l’uranium. Ce combustible nucléaire dispose de qualités énergétiques importantes qui, par le biais de la chaleur dégagée par la fission de ses atomes permet de produire de l’énergie électrique ou énergie électronucléaire.

Concrètement, on peut se représenter le schéma d’une centrale nucléaire en cinq parties :

  • des bâtiments contenant le réacteur nucléaire, le stockage de combustibles et d’une salle de commande, point central de la fission nucléaire ;
  • une salle technique abritant la turbine, l’alternateur et le transformateur nécessaires pour produire de l’électricité ;
  • une station de pompage de l’eau ;
  • un ensemble de cheminées ou tours de refroidissement ;
  • des lignes électriques à proximité pour le transport de l’électricité.

En 2021, la France compte près de 18 centrales nucléaires avec 56 réacteurs de différents niveaux de puissance. Ces centrales sont réparties dans différentes régions de l’hexagone. La création de ces différents sites de production d’énergie nucléaire est le résultat d’une politique énergétique menée par la France dès les années 1950. Aujourd’hui, les centrales nucléaires représentent le premier mode de production d’électricité en France.

La petite histoire des centrales nucléaires en France

Après la Seconde guerre mondiale, notre pays se lance dans la course au programme nucléaire via la création du Commissariat à l’énergie atomique (CEA). Dans les années 1950, les premières centrales nucléaires voient le jour, dont celles de Marcoule en 1956 dans la vallée du Rhône et de Chinon en 1963. Ces deux projets, comme les suivants, sont portés par le fournisseur et producteur d’électricité historique : EDF.

Dans les années 1970, un virage s’amorce dans la politique énergétique en France : les deux chocs pétroliers de 1973 et 1979 se traduisent par une hausse du prix du pétrole. La France accélère le programme de construction de centrales nucléaires afin de limiter sa dépendance énergétique aux produits pétroliers. En 1973, le parc de centrales nucléaires est alors d’une puissance totale de 2 084 MW et contribue à hauteur de 8 % de la production d’électricité française. Les centrales thermiques assurant de leur côté, près de 65 % de la production d’électricité annuelle.

La flambée du prix du pétrole amorce la construction de nouvelles centrales : pas moins de 54 réacteurs sont bâtis entre le milieu des années 1970 et les années 1990. Le dernier réacteur nucléaire mis en service date de juin 1999 : il s’agit de la centrale nucléaire de Civaux.

Aujourd’hui, les centrales nucléaires fournissent en moyenne près de 67 % de l’électricité produite en France.

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Fonctionnement d’une centrale nucléaire : comment ça marche ?

Une centrale nucléaire fait partie de la même famille que les centrales thermiques (centrales thermiques à flamme, centrales thermiques à énergies renouvelables, etc.) dont elle partage également le principe de fonctionnement : la transformation de chaleur en électricité. A ceci près que la chaleur n’est pas produite par un combustible qui brûle, mais par la fission nucléaire. Voyons dans le détail comment fonctionne une centrale nucléaire et les spécificités liées à son combustible fissile.

Le cycle de fonctionnement d’une centrale nucléaire

Le fonctionnement d’une centrale repose sur son réacteur nucléaire et la fission des atomes fissiles qu’il utilise pour générer de la chaleur. Ces atomes fissiles, que sont l’uranium 235, l’uranium 233, le plutonium 239 et le plutonium 241, constituent les principaux combustibles d’une centrale nucléaire. En France, le combustible fissile le plus utilisé est l’uranium 235. Ce minerai naturel est extrait des sous-sols de la Terre.

Le fonctionnement du réacteur nucléaire se décompose en plusieurs phases, en fonction de ses différents circuits :

  • dans le circuit primaire, l’uranium, sous forme de pastilles placées dans des gaines, est plongé dans une cuve. Il se produit la fission nucléaire où l’uranium 235 se fractionne en deux via l’absorption d’un neutron. Ce principe physique est appelé la fission nucléaire. Cette réaction produit une grande volumétrie de chaleur qui va servir à chauffer de l’eau (montée en température à 320 °C). L’eau chauffée est maintenue en pression dans un circuit fermé (circuit primaire) puis est transportée dans un second circuit fermé (circuit secondaire). A titre de comparaison, un gramme d’uranium en fission équivaut à une tonne de pétrole en combustion. Notez également que plusieurs fractions d’atomes peuvent se produire dans un cycle, c’est ce que l’on appelle une cascade de fissions nucléaires. Cette multiplication des fissions est contrôlée via un régulateur de vitesse (le modérateur) et une barre de contrôle ;
  • à son arrivée dans le circuit secondaire, l’eau chauffée transite vers le générateur de vapeur pour chauffer à son tour l’eau de ce circuit secondaire de manière à la transformer en vapeur. Cette vapeur d’eau génère une réaction en chaîne : l’action d’une turbine qui elle-même actionne un alternateur. Ce dernier produit un courant électrique alternatif. Celui-ci est ensuite monté en puissance par un transformateur pour être transportable sur les lignes à haute tension ;
  • en parallèle, la vapeur d’eau passe dans un circuit de refroidissement (3e circuit) pour reprendre sa forme liquide et être de nouveau injectée dans le circuit primaire. Cette dernière phase, celle de refroidissement, est vitale pour le fonctionnement en continu de la centrale nucléaire.

Quid de l’entretien d’une centrale nucléaire sur le moyen et long terme ?

Une centrale nucléaire implique une sécurité maximale quant à son fonctionnement. La manipulation de combustible nucléaire impose ainsi différents niveaux de maintenance régulière :

  1. Au quotidien : pour assurer une surveillance des appareils et les réparations éventuelles ;
  2. Tous les 18 mois : par l’arrêt d’un bâtiment (salles des machines, tour de refroidissement, salle de commande, etc.) et/ou réacteur nucléaire pendant une période de 5 à 6 semaines. Cette maintenance programmée est aussi l’occasion de recharger en uranium une part du réacteur nucléaire ;
  3. Tous les 10 ans : pour une inspection réglementaire sur les principaux composants, notamment cuves, circuit primaire, circuit secondaire et générateur de vapeur, sas de sécurité ou de confinement.

Quelle est la durée de vie d’une centrale nucléaire ?

En moyenne, l’exploitation d’une centrale nucléaire est de 40 ans.

Le cœur d’une centrale nucléaire : le réacteur nucléaire et les différents types existants

Une centrale nucléaire dispose d’un élément central à son fonctionnement, le réacteur nucléaire. Il existe plusieurs types de réacteur nucléaire exploités dans le monde (source : SFEN, Les différents réacteurs nucléaires) :

  1. Le réacteur à eau pressurisé (REP ou PWR pour Pressurized Water Reactor en anglais) utilise l’eau à la fois comme liquide caloporteur pour actionner la turbine, et également en tant que modérateur pour refroidir le réacteur nucléaire lui-même. Le réacteur REP représente près de 55 % des réacteurs nucléaires installés dans le monde. En France, ce type de réacteur est exploité depuis les années 1970. La totalité des centrales nucléaires françaises en activité disposent de réacteurs REP ;
  2. Le réacteur à eau bouillante (REB ou BWR pour Boiling Water Reactor) utilise également l’eau comme liquide caloporteur via la fission d’atomes d’uranium enrichi. Le circuit n’est pas fermé donc non pressurisé. Plus de 22 % des réacteurs installés dans le monde sont des réacteurs REB ;
  3. Le réacteur à eau lourde (ou HWR pour Heavy Water Reactors) fonctionne sur le même principe que le réacteur REP, exception faite du liquide caloporteur utilisé : une eau lourde composée d’atomes lourds d’hydrogènes. 48 réacteurs à eau lourde existent dans le monde ;
  4. Le réacteur neutrons rapides (RNR ou FNR pour Fast-neutron Reactor) utilise comme liquide caloporteur du métal liquide ou un gaz (comme l’hélium) ;
  5. Le réacteur caloporteur gaz (RCG ou AGR pour Advanced Gas-cooled Reactor) utilise le dioxyde carbone (CO2) comme liquide caloporteur. Monté à haute température, ce gaz peut alimenter directement la turbine sans échangeur intermédiaire. 15 réacteurs RCG sont exploités dans le monde, principalement au Royaume-Uni ;
  6. Le réacteur à eau légère et modérateur graphite (RBMK ou Reaktor Bolshoy Moshchnosti Kanalnyi en russe) utilise pour fonctionner : l’uranium (combustible), l’eau (caloporteur) et le graphite (modérateur). Conçu en Russie, le réacteur RBMK produit de l’électricité mais également une grande quantité de plutonium. 15 réacteurs sont exploités en Russie.

Réacteurs de 2e ou 3e génération : de quoi parle-t-on ?

Un réacteur nucléaire est désigné également par sa période de construction. Ainsi, la quasi-totalité des réacteurs nucléaires construits entre les années 1970 et les années 1990 sont dits « réacteurs de 2e génération » (dont les réacteurs REP exploités en France). A partir des années 2010, une « 3e génération » de réacteurs nucléaires a vu le jour (par exemple, le réacteur pressurisé européen EPR). Il existe une 4e génération de réacteur nucléaire encore en stade de projets d’étude.

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Tour d’horizon des centrales nucléaires en France

La centrale nucléaire est un site d’exploitation majeur en France pour la production d’électricité. Le parc nucléaire français se compose ainsi de 56 réacteurs répartis dans 18 centrales nucléaires dans tout le pays.

Avec une capacité de production d’électricité estimée à 61,4 GW, le parc nucléaire français se classe en 2e position derrière les Etats-Unis en tant que plus grand parc nucléaire au monde.

L’organisation du parc de centrale nucléaire en France prend en compte une contrainte importante pour leur zone d’installation : l’eau, élément indispensable à la production d’électronucléaire et à la phase de refroidissement. C’est pourquoi, les centrales nucléaires sont installées aux abords des fleuves ou en bord de mer.

D’autres contraintes entrent également en ligne de compte sur le choix géographique d’installation d’un site d’exploitation :

  • les besoins en électricité des régions. Les principaux sites nucléaires se situent dans la vallée du Rhône, en Normandie ou en bord de Loire pour desservir la région parisienne ;
  • les conditions géologiques des sous-sols ;
  • les zones sismiques. Elles doivent être classées à risques minimes ;
  • les zones géographiques. L’implantation est possible là où les risques de crues ou d’inondation sont faibles ;
  • les types de sites industriels à proximité ;
  • les zones de passage aérien.

Parmi les principales centrales nucléaires en activité, nous pouvons citer :

  • la centrale nucléaire de Civaux avec 2 réacteurs d’une puissance individuelle de 1 450 MW ;
  • la centrale nucléaire de Flamanville avec 12 réacteurs d’une puissance individuelle de 1 300 MW. A noter qu’une centrale nucléaire EPR de 1 650 MW est en cours de construction ;
  • la centrale nucléaire de Bugey avec 4 réacteurs d’une puissance individuelle de 900 MW.

A noter que la centrale de Fessenheim a été fermée au cours de l’été 2020.

Le parc nucléaire se répartit en majorité dans quatre régions : la région Auvergne-Rhône-Alpes, le Grand Est, le Centre-Val de Loire et la Normandie. A elles seules, ces quatre régions couvrent 80 % de la production d’électricité issue du parc nucléaire français.

Quels sont les risques et les impacts liés à l’énergie nucléaire ?

Les centrales nucléaires dans le mix électrique français représentent un atout important pour la France. La capacité de production du parc nucléaire conjuguée aux propriétés vertueuses de l’énergie nucléaire permettent de réduire considérablement le recours aux énergies fossiles. Le nucléaire en France est en effet réputé énergie bas-carbone, voire décarbonée pour certains fervents défenseurs. Ainsi, elle se distingue des énergies fossiles par ses faibles émissions de CO2, le gaz à effet de serre responsable majeur du réchauffement climatique actuel.

Toutefois, les centrales nucléaires ne sont pas exemptes de critiques qui, nous le verront plus loin dans cet article, vont déterminer le changement d’orientation de la France quant à sa politique énergétique future.

Les impacts environnementaux des centrales nucléaires

Le fonctionnement d’une centrale nucléaire comme tout activité industrielle comporte un certain nombre de points faibles.

Les déchets radioactifs

Les déchets radioactifs sont issus principalement du fonctionnement de la centrale nucléaire (équipements et matériels en contact, vêtements de protection, minerais, etc.) et du combustible en lui-même (uranium usagé).

L’Autorité de sureté nucléaire, instance de contrôle et de réglementation sur les installations nucléaires, distingue ainsi cinq à six catégories de déchets radioactifs classés en fonction de leur niveau de radioactivité et de leur durée de vie :

  • les déchets à vie très courte, issus principalement du milieu médical (par exemple les déchets liés à l’imagerie médicale type radiologie) ;
  • les déchets de faible activité, ainsi que les déchets de faible et moyenne activité à vie courte, qui proviennent du fonctionnement, de l’exploitation et du démantèlement des centrales nucléaires ;
  • les déchets de faible activité à vie longue, issus principalement du graphite d’anciennes centrales, de matériels usagés et de déchets d’assainissement ;
  • les déchets de moyenne activité à vie longue issus des matériaux ayant servis à la maintenance des réacteurs nucléaires ou au traitement des combustibles ;
  • les déchets haute activité à vie longue issus du traitement des combustibles utilisés.

Actuellement, le traitement des déchets radioactifs consiste à trier, conditionner et isoler par niveau de radioactivité, puis à les stocker par technique d’enfouissement. Bien évidemment, cette solution pose la question du risque environnemental à moyen et long terme sur la biodiversité et la population locale.

Les rejets d’effluents thermiques, liquides ou gazeux radioactifs

Une centrale nucléaire rejette également des effluents liquides et gazeux dans la nature. On distingue ainsi des rejets radioactifs issus du circuit de production nucléaire et les effluents chimiques radioactifs (ammoniaque, phosphore, sodium, etc.).

Bien que fortement contrôlé, leur rejet suscite de nombreuses inquiétudes quant à leur impact sur la santé et l’environnement.

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Les risques liés au fonctionnement d’une centrale nucléaire

Les accidents de Tchernobyl (1986) et de Fukushima (2011) sont encore dans toutes les mémoires. La possibilité d’un accident nucléaire est un risque important lié à la dangerosité du combustible fissile. Les rejets de substances radioactives dans l’atmosphère et l’environnement font craindre des impacts néfastes pour la santé des populations, de la faune et de la flore.

La sureté nucléaire est donc une priorité en France où la maintenance des centrales a été renforcée. Mais tout cela représente un coût abyssal pour l’Etat français et, par ruissellement, pour les consommateurs finaux ! EDF annonce ainsi que son programme de « Grand Carénage » portant sur la maintenance des installations nucléaires est estimé à 49,5 milliards d’euros. (source : Usine Nouvelle « EDF revoit à la hausse le coût du Grand Carénage de ses centrales nucléaires »).

Le ratio bénéfices/risques pousse le gouvernement français à développer des sources d’énergies alternatives pour réduire sa dépendance nucléaire.

La production d’électricité d’origine nucléaire et le virage de la transition énergétique

Dès les années 1970, la France a focalisé sa force de production d’électricité dans l’énergie nucléaire. Ce choix appuyé sur une stratégie politique et économique, afin de retrouver une indépendance énergétique, est également justifié par les propriétés bas-carbone de l’énergie nucléaire.

Néanmoins, comme vu dans le point précédent, de multiples détracteurs pointent du doigt ses nombreux risques sur l’environnement et la sécurité de la population. La loi relative à la transition énergétique pour la croissance verte (LTECV) du 17 août 2015 vient ainsi changer la donne, et impose des restrictions à la France quant à sa production d’électricité d’origine nucléaire. Les objectifs de cette loi sont de remodeler le système énergétique actuel et de le réorienter progressivement vers les énergies renouvelables.

Ainsi, le développement de la filière des énergies renouvelables (hydraulique, éolien, solaire, biomasse, etc.) amorcé dès le début des années 2000, s’accélère pour atteindre 20 % de la production d’électricité totale en 2020. La production d’électricité nucléaire réduit un peu sa voilure pour atteindre la même année, 335,4 TWh soit près de 67,1 % de la production d’électricité française.
L’Etat français s’engage vers un démantèlement progressif du parc de centrale nucléaire pour atteindre les objectifs fixés de diversifier le mix de production électrique : réduire jusqu’à 50 % la part du nucléaire dans la production d’électricité totale d’ici 2035.

Au cours de l’été 2020, la fermeture de la centrale nucléaire de Fessenheim vient acter le début des engagements nationaux.

La centrale nucléaire et les autres centrales électriques en France

La France dispose d’un mix énergétique où les modes de production d’électricité concourent pour assurer les besoins énergétiques de tous les consommateurs. La centrale nucléaire est un mode de production d’électricité majeur, qui doit composer cependant avec quatre autres grands types de centrale électrique en parallèle :

  • la centrale thermique (centrale à gaz, au charbon, fioul, solaire, géothermique) ;
  • la centrale hydraulique ;
  • la centrale éolienne ;
  • la centrale photovoltaïque.

Ces centrales électriques ont toutes un point commun : leur mode de fonctionnement similaire. La centrale nucléaire se sert de la chaleur produite par la fission nucléaire pour créer de la vapeur d’eau, et actionner une turbine puis un transformateur afin de produire de l’électricité. Les autres centrales électriques vont adopter le même cycle de fonctionnement, seul le type d’énergie utilisé diffère :

  • la force mécanique de l’eau (chute, courant…) pour la centrale hydraulique ;
  • la force mécanique de l’air pour la centrale éolienne ;
  • les rayons du soleil pour la centrale photovoltaïque ;
  • la combustion d’énergies fossiles pour les centrales thermiques à flamme, ou d’énergie renouvelables (soleil, chaleur de la terre) pour les centrales thermiques solaires ou géothermiques.

Quid des fournisseurs d’électricité d’origine nucléaire ou alternative ?

A la lecture de cet article, vous percevez la multiplicité des enjeux liés à l’exploitation des centrales nucléaires. Doit-on pour autant se détourner d’une source d’énergie moins polluante que le fioul, le gaz naturel ou le charbon ? Ou au contraire être en accord avec ses convictions écologiques et se tourner, dans ce cas, vers une énergie plus verte ?

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