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Le monde a besoin de beaucoup d'énergie. Le développement technologique nécessite aujourd'hui beaucoup plus d'énergie que ce qui a été produit à ce jour. Les données montrent que plus le PNB, plus la consommation par habitant est importante et plus la production d'énergie, plus la longévité des personnes l'est également. La production d'énergie la plus courante est basée sur la combustion de fossiles (bois, charbon, pétrole, gaz naturel), mais ces ressources naturelles seront bientôt épuisées ou deviendront prohibitives. Les estimations actuelles varient d'environ 50 à 150 ans. Tôt ou tard, nous aurons besoin d'autres formes d'énergie. L'énergie nucléaire pourrait-elle être la réponse?

Toutes les ressources naturelles telles que l'énergie géothermique, l'énergie éolienne, l'énergie solaire, etc, entraînent des coûts élevés, et en raison du caractère intermittent de l'énergie éolienne ou solaire, exigent une sauvegarde puissante sous la forme de systèmes d'énergie de base fiables. L'hydroélectricité est une source importante d'énergie, peu chère, et peut fonctionner de façon constante, comme le système de production de base, mais ses ressources sont limitées et dans de nombreux pays ces ressources ont déjà été exploitées à l'épuisement.

Nous avons déjà une grande, très efficace (plus que tout autre!), source d'énergie à portée de main - à savoir l'énergie nucléaire. À l'heure actuelle, environ 16% de l'énergie électrique produite dans le monde est nucléaire. Cette énergie peut couvrir la demande d'énergie de l'humanité pour des milliers d'années - et même mieux, il est estimé que les réacteurs surgénérateurs peuvent fournir de l'énergie pour un maximum de quelques milliards d'années! Le coût global de production de l'énergie électrique à partir de centrales nucléaires, y compris les coûts des systèmes de sécurité, la protection contre la prolifération des matières fissiles, le futur déclassement du réacteur et les coûts du traitement des déchets nucléaires et la protection, a été montré comme étant l'un des plus bas parmi les diverses sources d'énergie.

La production d'énergie nucléaire ne crée pas de pollution de l'environnement et ne contribue pas au réchauffement climatique. Ce serait donc un terrible gaspillage de ressources si l'humanité ne faisait pas un usage intensif de l'énergie nucléaire. Le problème technique est de l'utiliser d'une manière aussi sécuritaire que possible. Par exemple, les 22 tonnes d'uranium utilisées pour l'électricité permettent d'économiser l'émission d'environ un million de tonnes de dioxyde de carbone qui viendrait d'une utilisation équivalente de charbon.

Il y a des risques liés à la possibilité de panne grave du réacteur, le rayonnement ionisant qui est libéré, le traitement des déchets nucléaires et la prolifération des matières fissiles. L'évaluation de ces risques, cependant, est une tâche difficile, car ils ne relèvent pas de la catégorie générale des risques "volontaires". Cependant, pour avoir une idée, nous pouvons regarder les "décès par énergie électrique produite". Les accidents de mines de charbon et des puits de pétrole classiques, avec la pollution de l'air causée par la combustion de combustibles fossiles, se traduisent par un facteur de risque qui est environ 40 fois plus élevé que dans l'ensemble de l'industrie nucléaire, de l'extraction de l'uranium à des défaillances potentielles de centrales nucléaires. Une seule rupture du barrage, ou un simple accident dans une usine chimique, peut tuer jusqu'à des milliers de personnes, tandis que, dans ce qui était probablement le pire catastrophe dans toute l'histoire de l'énergie nucléaire, Tchernobyl, seulement 31 personnes ont été tuées, 28 d'entre eux par grande dose de rayonnement absorbée. Le programme nucléaire complet des États-Unis correspond à un risque similaire à celui d'élever la limite de vitesse sur route de 80 km/h à 81 km/h!

Le graphique de gauche illustre les risques relatifs (mesurés en morts par TWh) produits apr différentes sources d'énergie: (Image source: www.adamsmith.org)

Lors de la récente panne de la centrale nucléaire de Fukushima, il y a eu une libération massive de matières radioactives dans l'environnement, et les experts prédisent qu'il y aura une augmentation significative des cas de cancer parmi la population locale dans les 50 prochaines années. Cependant, le nombre de décès immédiats dus aux rayonnements est de zéro.

Nous savons maintenant que les noyaux radioactifs sont produits lors de la fission. Le nombre de neutrons dans l'uranium (143 ou 146) dépasse de loin le nombre de protons (92), ce qui en fait un noyau relativement stable (la durée de vie 238 U est de 4,5 milliards d'années, et la durée de vie 235 U est de 1,3 milliards d'années). Dans les petits noyaux, le rapport du nombre de neutrons sur celui de protons nécessaire pour un isotope stable est inférieur. Ainsi, lorsque le noyau se divise en des noyaux plus petits, le nombre de neutrons dans chaque fragment est plus grand que ce qui est nécessaire pour le rendre stable. Cela signifie que les fragments de fission sont instables, c'est-à-dire radioactifs - et beaucoup d'entre eux ont une longue durée de vie.

En plus des fragments de fission, des éléments transuraniens sont également produits par des captures de neutrons dans le combustible nucléaire. Un neutron rapide est capturé par 238 U. Puis, après deux décroissances beta, 239 Pu est formé - un élément fissile qui sert de carburant (et nous parlons alors de cycle uranium-plutonium). Cependant, le même isotope dans un réacteur de type REP devient un déchet nucléaire. Il faut aussi se rappeler que, pendant le fonctionnement du réacteur, les matériaux de construction du réacteur peuvent s'activer (un produit typique d'une telle activation est 60 Co) et doivent être manipulés correctement.

Classement des déchets radioactifs :

Type Volume Contenu radioactif
Déchet d'activité haute 3% 95%
Déchet d'activité moyenne 7% 4%
Déchet d'activité faible 90% 1%

Les déchets de haute activité font seulement 3% du volume total des déchets résultant de la production nucléaire, mais ils contiennent 95% de la radioactivité. Les déchets d'activité faible représentent 90% du volume total des déchets radioactifs, mais contiennent seulement environ 1% de la radioactivité.

Les déchets nucléaires posent de sérieux problèmes technologiques qui doivent être résolus afin de rendre l'énergie nucléaire sans danger pour le public. Contrairement au charbon, au pétrole ou au gaz, le combustible nucléaire ne brûle jamais complètement. Cela est dû au fait que, pendant le processus de «combustion», un certain nombre de noyaux qui absorbent fortement les neutrons sont créés. Avec le temps, les neutrons produits par la fission seront principalement absorbés par les produits de réactions antérieures. La multiplication de leur nombre dans une seule réaction de fission ne sera pas suffisante pour maintenir la réaction en chaîne. Puis l'élément de carburant ne peut pas servir de carburant et devient un déchet nucléaire hautement radioactif. En outre, les demi-vies des éléments produits par réaction de fission durent souvent des dizaines, voire des centaines de milliers d'années, donc il faut prendre un soin particulier lors du stockage de tels déchets, les stocker en toute sécurité pour un temps très long. L'élimination de ces déchets crée de graves problèmes sociaux, politiques et réglementaires.

Dans les réacteurs de recherche qui ne produisent pas beaucoup de carburant usé, le plus simple est d'utiliser un réservoir de stockage d'eau, généralement placé à côté de la piscine du réacteur. Le combustible usé peut être maintenu aussi longtemps que la corrosion des containers de carburant le permet, habituellement environ 30 à 40 ans. En attendant, la température des barres de carburant usé diminue et le processus de décomposition naturelle rendre leur activité plus faible. Une autre période de 40 ou 50 ans de stockage doit s'écouler avant que l'activité du combustible usé devienne suffisamment faible pour l'qu'il soit envoyé au stockage définitif des déchets nucléaires.

Dans le cas des centrales nucléaires, des procédés similaires peuvent être utilisés. Cependant, après quelques années de maintien du combustible usé dans le réservoir d'eau, le combustible est déplacé vers les usines de retraitement où il peut subir un processus chimique dans lequel les éléments fissiles (uranium et plutonium et d'autres éléments transuraniens) sont récupérés et utilisés par la suite dans la production du combustible neuf du réacteur. Le matériel restant, principalement sous forme liquide, est vitrifié, encastré dans d'énormes conteneurs métalliques (fûts) et envoyé au dépôt. Cette technologie n'est pas très répandue, car elle nécessite un environnement high-tech. Si le combustible usé n'est pas retraité, il doit être stocké directement, dans des fûts métalliques appropriés, dans des dépôts spéciaux profondément sous terre, par exemple dans d'anciennes mines de sel, des sols d'argiles ou de granit.

Le stockage des déchets nucléaires à des niveaux de 500-1000m sous le sol offre une sécurité plus élevé que le stockage au niveau du sol. Le rayonnement émis après, disons, une période de 1000 ans, sera au niveau du rayonnement naturel dans les premiers 1000m de la croûte terrestre. Bien sûr, si nous apprenions à transmuter et incinérer les déchets nucléaires, le problème deviendrait encore plus facile à résoudre. Le stockage profond ne présente pas de réel danger pour les personnes vivant à proximité des sites de stockage, à moins que quelqu'un tente d'utiliser accidentellement le terrain à d'autres fins et commence un forage. Même dans un tel cas, cependant, le danger restera local, et n'atteindra certainement pas des proportions mondiales.

Lors de l'examen des risques liés aux déchets nucléaires industriels, on oublie souvent que la croûte de la Terre elle-même contient de nombreux éléments radioactifs qui diffusent en continu vers la surface et constitue une partie de la radioactivité naturelle.

Comme la figure ci-dessus l'illustre, les déchets nucléaires contribuent seulement à une petite partie de la radioactivité naturelle. Par exemple, tous les déchets radioactifs accumulés jusqu'à l'an 2000, après un refroidissement de 500 ans, auront une activité équivalente à la radioactivité naturelle d'un volume de 30x30x2km de sol (2 km est la profondeur typique d'un dépôt de déchets souterrain).

On commence avec l'extraction du minerai d'uranium. Le minerai est ensuite écrasé et broyé en une poudre fine. Enfin, il est soumis à un procédé chimique permettant de séparer l'uranium du minerai. Par conséquent, l'oxyde d'uranium U3O8 est obtenu. Pour faire fonctionner une centrale nucléaire qui génère, par exemple, 1 000 MW de puissance électrique, il faut environ 200 tonnes de U3O8 par an.

L'étape suivante consiste à l'enrichissement de l'uranium en 235U. Le processus commence par la conversion du octoxyde de triuranium en hexafluorure d'uranium gazeux (UF6). Des centrifugeuses à grande vitesse sont utilisées pour séparer le gaz en deux parties : la suppression de 238U permet un gaz enrichi en 235U, tandis que l'autre gaz est appauvri en 235U. Le premier gaz sera utilisé pour la fabrication de combustible nucléaire, tandis que le second, l'uranium appauvri, peut être utilisé par exemple sous forme métallique comme un bouclier très efficace contre les rayonnements gamma.

Après avoir brûlé le combustible dans un réacteur nucléaire, le combustible usé est stocké puis retraité soit pour récupérer des éléments fissiles (235U et 239Pu) de celui-ci ou préparés pour un stockage à long terme, sans retraitement.

Il y a une forte incitation à réduire, par un facteur de 100 ou plus, le volume et la radio toxicité des déchets de haute activité (DHA) destinés au stockage souterrain profond. Il s'avère que 97% environ du combustible usé peut être recyclé, le reste est gardé en tant que déchet nucléaire hautement radioactif. L'uranium récupéré contient seulement environ 1% de 235U (soi-disant uranium appauvri ). En plus du stockage géologique, il y a aussi un intérêt à la séparation des actinides et à la transmutation. Les technologies qui permettraient une séparation des actinides (Pu en particulier), dits mineurs (Np, Am et Cm) et certains produits de fission de longue durée de vie, les transmutent en produits à vie courte ou même stables.

Le transport routier du combustible nucléaire usé au Japon (Source de l'image: The Energy Library) :

Contrairement à la croyance populaire, le transport de combustible usé n'est pas dangereux. Nous notons que, pendant les 40 dernières années, il y a eu environ 3 000 transports de combustible usé enregistrés pour les seuls États-Unis. Ce carburant a été transporté par les camions et les trains sur un total d'environ 2.500.000 kilomètres, sans un seul accident. Toujours en Europe, aucun accident ne s'est passé pendant tout le transport de combustible usé. La sécurité est largement garantie par les conteneurs lourds (~ 120 tonnes) en acier utilisés pendant le transport. Typiquement, les parois ont environ 50 cm d'épaisseur - environ 15 fois plus que dans le cas des conteneurs utilisés pour le transport de l'essence. Pour chaque tonne de combustible irradié, il y a généralement trois fois plus de matériau utilisé pour le conteneur et le bouclier biologique. Ces conteneurs sont construits pour résister à un incendie de 30 minutes et une chute de 9 m sur du béton. Ils sont construits pour résister à une collision avec un avion à réaction! Dans chaque conteneur, il y a au maximum neuf barres de combustible. Plus récemment, la construction des conteneurs a commencé à être modifiée de manière à les rendre résistants à d'éventuelles attaques terroristes.

En plus des déchets nucléaires produits par les réacteurs nucléaires et les activités militaires, les déchets nucléaires sont produits partout où des sources de rayonnements nucléaires sont utilisés. Ils proviennent des hôpitaux (avec la médecine nucléaire et les salles de radiothérapie), de l'université et de la recherche industrielle, de l'utilisation industrielle de sources (par exemple dans l'industrie du papier, dans la production d'uranium et les mines de charbon, les détecteurs de fumée, etc). A la différence du combustible usé, ces déchets sont tous de faibles ou moyennes activités et surtout de durées de vie relativement courtes. Ces déchets sont généralement compactés avant d'être finalement stockés dans des conteneurs spéciaux qui empêchent la fuite de matières radioactives dans l'environnement.

Il existe des alternatives possibles à l'entreposage à long terme des déchets nucléaires. La transmutation est un processus de transformation, par capture de neutrons, d'un isotope radioactif à vie longue en un autre isotope qui a une demi-vie plus courte ou peut-être même qui est stable. En revanche, l'incinération est un procédé dans lequel la capture de neutrons conduit à la formation d'un isotope qui se désintègre en un élément stable par fission. Un travail approfondi est nécessaire afin de rendre les deux types de réactions commercialement efficaces. Les systèmes pilotés par accélérateur et le concept d'amplificateur d'énergie nous donne l'espoir que les déchets nucléaires accumulés jusqu'ici, et ceux qui seront produits par la suite, pourraient être convertis en déchets de courte durée qui sont plus faciles à stocker.