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17.4 : Conséquences de l'énergie nucléaire

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    L'utilisation de l'énergie nucléaire pose un dilemme intéressant. D'une part, l'électricité nucléaire ne produit aucune émission de carbone, un avantage durable majeur dans un monde confronté au changement climatique. D'autre part, il existe un risque environnemental lié au stockage du combustible usé pendant des milliers ou des centaines de milliers d'années, un risque sociétal de prolifération nucléaire et l'impact des émissions accidentelles de radiations par les réacteurs en exploitation. Les scientifiques, les décideurs politiques et les citoyens réfléchis doivent évaluer ces avantages et ces inconvénients.

    Les avantages de l'énergie nucléaire

    Contrairement aux combustibles fossiles, la production d'électricité à partir de l'énergie nucléaire ne pollue pas l'air et ne contribue pas de manière significative au changement climatique (figure\(\PageIndex{a}\)). Alors que nous continuons à épuiser les réserves mondiales de combustibles fossiles, les réserves de combustible nucléaire sont abondantes. On estime que l'approvisionnement en uranium durera plus de 200 ans et qu'il est également possible d'utiliser d'autres isotopes radioactifs. De plus, les centrales nucléaires sont plus fiables que toute autre source, avec un facteur de capacité de 93,5 % (figure\(\PageIndex{b}\)). La capacité est la quantité d'électricité qu'un générateur peut produire lorsqu'il fonctionne à plein régime, et le facteur de capacité est une mesure de la fréquence à laquelle une centrale fonctionne à puissance maximale. (Une centrale dont le facteur de capacité est de 100 % signifie qu'elle produit de l'électricité en permanence.)

    Diagramme à barres comparant les décès et les émissions de gaz à effet de serre pour le charbon, le pétrole, le gaz naturel, la biomasse, l'hydroélectricité, l'énergie nucléaire, solaire et éolienne
    Figure\(\PageIndex{a}\) : L'énergie nucléaire cause moins de décès et émet de minuscules gaz à effet de serre par rapport aux combustibles fossiles. Ces diagrammes à barres explorent la question « Quelles sont les sources d'énergie les plus sûres et les plus propres ? ». Sur la gauche se trouve le taux de mortalité dû aux accidents et à la pollution de l'air, mesuré en termes de décès par térawatt-heure (décès/TWh) de production d'énergie. 1 térawattheure correspond à la consommation énergétique annuelle de 27 000 personnes dans l'Union européenne (UE). Sur la droite se trouvent les émissions de gaz à effet de serre mesurées en tonnes d'équivalent CO2 émises par gigawatt-heure (tCO 2 -eq/GWh) d'électricité pendant le cycle de vie de la centrale. 1 gigawattheure correspond à la consommation annuelle d'électricité de 160 personnes dans l'UE. Le charbon a causé 24,6 décès par TWh, 25 % de l'énergie mondiale et 820 tCO 2 -eq/GWh. Le pétrole a causé 18,4 décès par TWh, 31 % de l'énergie mondiale et 720 tCO 2 -eq/GWh. Le charbon a causé 2,8 décès par TWh, 23 % de l'énergie mondiale et 490 tCO 2 -eq/GWh. La biomasse était responsable de 4,6 décès par TWh, soit 7 % de l'énergie mondiale et de 78 à 230 tCO 2 -eq/GWh. L'hydroélectricité a causé 0,02 décès par TWh, 6 % de l'énergie mondiale et 34 tCO 2 -eq/GWh. L'énergie nucléaire a représenté 0,07 décès/TWh, 4 % de l'énergie mondiale et 4 tCO 2 -eq/GWh. Le vent a causé 0,04 décès par TWh, 2 % de l'énergie mondiale et 4 tCO 2 -eq/GWh. Le charbon représentait 0,02 décès par TWh, 1 % de l'énergie mondiale et 5 tCO 2 -eq/GWh. Le charbon a causé 1 230 fois plus de décès que l'énergie solaire, et le pétrole 263 fois plus de décès que l'énergie nucléaire. Les émissions de charbon étaient 273 fois plus élevées que celles de l'énergie nucléaire et les émissions de pétrole 180 fois plus élevées que celles du vent. Photo d'Hannah Ritchie et Max Roser/Notre monde dans les données (CC-BY).

     

    Diagramme à barres des facteurs de capacité de six sources d'énergie différentes. Du plus élevé au plus bas : nucléaire, gaz naturel, charbon, hydroélectricité, énergie éolienne et solaire.
    Figure\(\PageIndex{b}\) : Le facteur de capacité de six sources d'énergie en 2019. Le nucléaire possède le facteur de capacité le plus élevé avec 93,5 %, suivi du gaz naturel (56,8 %), du charbon (47,5 %), de l'hydroélectricité (39,1 %), de l'éolien (34,8 %) et du solaire (24,5 %). Image provenant de l'Office of Nuclear Energy/Département de l'Énergie des États-Unis (domaine public).

    Impacts négatifs de l'énergie nucléaire

    Malgré ses avantages, l'énergie nucléaire présente des inconvénients. Elle nécessite plus d'eau que toute autre source d'énergie. L'eau utilisée pour le refroidissement est rejetée dans l'environnement et, bien qu'elle ne contienne pas de matières radioactives ou d'autres produits chimiques nocifs, elle est plus chaude qu'auparavant. C'est ce que l'on appelle la pollution thermique et elle peut nuire à la vie aquatique, qui est adaptée aux températures plus fraîches. L'extraction à ciel ouvert du minerai d'uranium dégrade l'habitat et libère des toxines du sous-sol (similaire à l'extraction à ciel ouvert pour le charbon). Les centrales nucléaires coûtent cher à construire et à entretenir et nécessitent de grandes quantités de métal et de béton. L'uranium enrichi destiné au combustible nucléaire, s'il se trouve entre de mauvaises mains, peut être utilisé pour fabriquer des armes nucléaires (figure\(\PageIndex{c}\)). Bien que les accidents nucléaires soient rares, ils peuvent causer de graves dommages et leurs impacts sont durables. En outre, le problème de l'élimination sûre du combustible nucléaire usé n'est toujours pas résolu. Ces deux dernières préoccupations sont examinées plus en détail ci-dessous.

     

    Trois diagrammes circulaires montrant les proportions d'enrichissement de l'uranium dans la nature (< 0,72 %), pour le combustible (< 20 %) et pour les armes (20 à 85 %).
    Figure\(\PageIndex{c}\) : Diagrammes circulaires montrant les proportions relatives d'uranium 238 (bleu) et d'uranium 235 (rouge) à différents niveaux d'enrichissement. Les armes nucléaires nécessitent plus d'uranium hautement enrichi que ce qui est nécessaire pour le combustible nucléaire. L'uranium naturel (NU) se compose de plus de 99,2 % d'U-238 et de 0,72 % ou moins d'U-235. L'uranium faiblement enrichi (UFE) contient moins de 20 % d'uranium 235, tandis que l'uranium de qualité réacteur contient généralement 2 à 5 % d'uranium 235. L'uranium hautement enrichi (UHE) se compose de 20 à 85 % d'uranium 235 et d'une teneur militaire d'au moins 85 % en 235U. Image et légende (modifiées) par Fastfission (domaine public).

    Déchets nucléaires

    Le principal défi environnemental pour l'énergie nucléaire concerne les déchets, notamment les déchets hautement radioactifs, les déchets faiblement radioactifs et les résidus des usines d'uranium. Ces matières ont de longues demi-vies radioactives et constituent donc une menace pour la santé humaine pendant des milliers d'années.

    Les déchets hautement radioactifs (HLRW) sont constitués de combustible de réacteur nucléaire usé (barres de combustible nucléaire usé). Ils contiennent les produits de la fission nucléaire, eux-mêmes radioactifs. Ce HLRW est stocké temporairement dans une piscine de la centrale nucléaire ou dans un fût sec, des cylindres en acier placés dans un autre conteneur, en acier ou en béton (figure\(\PageIndex{d}\)). Les fûts secs contiennent du gaz inerte (non réactif) et peuvent être situés dans la centrale électrique, dans une centrale hors service ou sur un site de stockage séparé. Les déchets hautement radioactifs ne peuvent être déplacés vers un fût sec qu'après un an de refroidissement dans une piscine. Les États-Unis n'ont pas de stockage à long terme pour le HLRW, et le combustible usé demeure donc un stockage provisoire.

    De longues barres de combustible dans un cylindre à l'intérieur d'un autre cylindre, environ trois fois plus haut qu'une personne
    Figure\(\PageIndex{d}\) : Des fûts secs scellent les barres de combustible usé dans une cartouche entourée d'un fût de stockage plus grand. Des faisceaux d'assemblages de combustible usé se trouvent à l'intérieur. Image du NRC (domaine public).

    Le mont Yucca, dans le Nevada, a été proposé comme site de stockage géologique à long terme, où le HLRW pourrait être enterré pendant des centaines de milliers d'années. L'installation de stockage a été construite, mais elle n'a pas été utilisée en raison de l'opposition des habitants locaux et des préoccupations concernant la sécurité du transport du HLNW (figure\(\PageIndex{e}\))

    Un paysage aride avec une longue montagne
    Figure\(\PageIndex{e}\) : Yucca Mountain est le site proposé pour le stockage à long terme de déchets hautement radioactifs aux États-Unis, mais il n'est pas utilisé en raison de controverses politiques. Image de whitehouse.gov (domaine public).

    Certains pays retraitent (recyclent) le combustible nucléaire usé, mais aucune installation de recyclage ou de retraitement ou de dépôt fédéral de déchets n'est actuellement agréée aux États-Unis. Le retraitement sépare la fraction utilisable du combustible usé et la recycle dans le réacteur, en utilisant une plus grande partie de son contenu énergétique pour la production d'électricité, et envoie les déchets de haute activité restants vers un stockage géologique permanent.

    La principale motivation du retraitement est l'utilisation accrue des ressources en combustible, permettant d'extraire environ 25 % d'énergie en plus que le cycle une fois terminé. L'une des motivations secondaires du recyclage est la réduction significative de l'espace de stockage géologique permanent (à 20 % ou moins de ce qui serait autrement nécessaire) et du temps (de centaines de milliers d'années à des milliers d'années). Bien que ces avantages semblent naturels et attrayants du point de vue de la durabilité, ils sont compliqués par le risque de vol de matières nucléaires issues du cycle de retraitement en vue de leur utilisation dans la production d'armes illicites ou à d'autres fins non durables. À l'heure actuelle, la France, le Royaume-Uni, la Russie, le Japon et la Chine procèdent à une forme ou une autre de retraitement ; les États-Unis, la Suède et la Finlande ne le font pas.

    Les déchets radioactifs de faible activité (LLRW) désignent les articles qui ont été exposés à des radiations, notamment les vêtements, les filtres et les gants. Ils peuvent être contenus dans du béton ou du plomb (à travers lesquels le rayonnement ne peut pas passer ; figure\(\PageIndex{f}\)). Les déchets de faible activité sont généralement stockés dans la centrale nucléaire, soit jusqu'à ce qu'ils se décomposent et puissent être éliminés comme des déchets ordinaires, soit jusqu'à ce que les quantités soient suffisamment importantes pour être expédiées vers l'un des cinq sites d'élimination des déchets LLRW aux États-Unis (figure\(\PageIndex{g}\)).

    Quatre particules dans une colonne de papier verticale, la main d'une personne, une feuille de métal, un verre d'eau, un épais bloc de béton et du plomb épais et vertical.
    Figure\(\PageIndex{f}\) : L'eau, le béton épais, le plomb et l'acier (non illustrés) peuvent arrêter plusieurs types de rayonnements émis par les déchets radioactifs. Notez que les rayons gamma peuvent pénétrer dans une certaine mesure toutes ces substances, mais que le plomb, le béton et l'acier fournissent une protection partielle. La capacité de différents types de rayonnement à traverser le matériau est démontrée. De la plus faible à la plus pénétrante, elles sont alpha < bêta < neutron < gamma. La particule supérieure de la liste est composée de deux sphères blanches et de deux sphères vertes étiquetées par des signes positifs et étiquetées « Alpha ». Une flèche orientée vers la droite mène au papier. La deuxième particule est une sphère rouge étiquetée « Bêta », suivie d'une flèche orientée vers la droite qui traverse le papier et s'arrête sur la main. La troisième particule est une sphère blanche étiquetée « Neutron » et est suivie d'une flèche orientée vers la droite qui traverse le papier, la main et le métal, mais qui s'arrête au niveau du verre d'eau. La quatrième particule est représentée par une flèche ondulée ; elle traverse toutes les substances mais s'arrête en tête. Les termes en bas se lisent, de gauche à droite, « Papier », « Métal », « Eau », « Béton » et « Plomb ». Image et légende (modifiées) tirées de Flowers, Theopold et Langley/OpenStax (CC-BY). Téléchargez gratuitement sur CNX.
    Section d'une installation de stockage de déchets faiblement radioactifs
    Figure\(\PageIndex{g}\) : Schéma (en haut) et photo (en bas) d'un site d'élimination de déchets radioactifs de faible activité (LLRW ou LLW). Dans le schéma, les déchets de faible activité sont contenus dans des bidons placés dans des voûtes en béton. Il est entouré d'argile imperméable et de remblais. Le système de drainage empêche les déchets de contaminer les eaux souterraines. L'ensemble de l'installation d'élimination est souterraine et une couche de terre végétale se trouve au-dessus. Le site d'élimination sur la photo accepte les déchets provenant des États participant à un accord régional d'élimination. Les déchets sont scellés dans des bidons et enterrés à faible profondeur. Image du NRC (domaine public).

    L'enrichissement de l'uranium produit de l'hexafluorure d'uranium appauvri (DUF 6), ou résidus des usines de concentration d'uranium, en tant que sous-produit, qui ne présente pas des concentrations suffisamment élevées de 235 U pour être utilisé comme combustible nucléaire mais qui reste dangereux. Les résidus représentent le plus grand pourcentage de déchets nucléaires en volume, et il existe plus de 200 millions de tonnes de résidus radioactifs aux États-Unis. Les résidus contiennent plusieurs éléments radioactifs, dont le radium, qui se désintègre pour produire du radon, un gaz radioactif. Ils sont stockés dans des réservoirs, des fosses bordées dans le sol qui sont inondées d'eau, dans des zones reculées. La déconversion implique le traitement chimique des résidus afin de réduire les risques qu'ils présentent afin qu'ils puissent être stockés sous forme de LLRW.

    Catastrophes nucléaires

    De nombreuses autres précautions réglementaires régissent l'autorisation, la construction, l'exploitation et le déclassement des centrales nucléaires en raison des risques liés à une réaction nucléaire non contrôlée. Le risque de contamination de l'air, de l'eau et des aliments est élevé en cas de réaction non contrôlée. Même lors de la planification des pires scénarios, il existe toujours des risques d'imprévus. Les accidents nucléaires survenus à Three Mile Island, à Tchernobyl (voir le chapitre Hook) et à Fukushima ont suscité des inquiétudes quant à la sûreté de l'énergie nucléaire.

    L'accident de Three Mile Island s'est produit en Pennsylvanie en 1979. Il s'agissait d'une fusion partielle due à une panne électrique et à des erreurs de fonctionnement. Il n'y a eu aucun décès direct. Des études ont examiné la possibilité que l'exposition aux rayonnements résultant de l'accident cause indirectement des décès en raison de l'augmentation du taux de cancer ou d'autres maladies, mais rien n'a été prouvé à ce sujet. En revanche, la fusion de 1986 à la centrale nucléaire de Tchernobyl, dans ce qui est aujourd'hui l'Ukraine, a causé 50 décès directs. Ce désastre est survenu à la suite d'un test des systèmes d'urgence qui ont mal fonctionné. Les estimations des décès indirects dus à l'exposition aux rayonnements se situent entre 4 000 et 60 000.

    Le débat mondial sur l'énergie nucléaire a été fortement impacté par le tremblement de terre de mars 2011 et le tsunami qui a suivi, qui a frappé le Japon, ont provoqué la fusion des réacteurs de la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi, causant des dommages considérables aux zones environnantes. La catastrophe a mis hors service le système de refroidissement d'un complexe d'énergie nucléaire, provoquant finalement la fusion partielle de certains cœurs du réacteur et la libération d'un rayonnement important. La conception des réacteurs (réacteurs à eau bouillante) a rendu plus difficile la ventilation du système sans émettre de rayonnement. Le refroidissement du combustible radioactif a généré un grand volume d'eau contaminée, et la catastrophe a coûté au moins 300 milliards de dollars. Bien qu'il n'y ait pas eu de décès immédiat, une personne est décédée plus tard d'un cancer attribué à une exposition aux rayonnements. Des milliers de personnes sont mortes en raison du stress lié à l'évacuation, et environ 20 % des plus de 160 000 personnes évacuées n'étaient pas encore rentrées chez elles en 2019.

    Quatre réacteurs de la catastrophe de Fukushima sont schématisésVue aérienne des réacteurs nucléaires évacuant de la vapeur
    Figure\(\PageIndex{g}\) : Gauche : Schéma (approximatif) des accidents de la centrale nucléaire de Fukushima I. (1) Unité 1 : Explosion, toit arraché le 12 mars. (2) Unité 2 : Explosion du 15 mars ; eau contaminée dans une tranchée souterraine, fuite possible de la chambre de suppression. (3) Unité 3 : Explosion, la plupart des bâtiment en béton détruit le 14 mars, fuite possible de plutonium. (4) Incendie le 15 mars ; restauration partielle du niveau de l'eau dans les piscines de combustible usé. (5) Multiples tranchées : source probable d'eau contaminée, partiellement souterraine, fuite bloquée le 6 avril. Droite : La centrale nucléaire de Fukushima I après le tremblement de terre et le tsunami de Tōhoku en 2011. Réacteur 1 à 4 de droite à gauche. Image de gauche et légende (modifiées) par Sodacan (CC-BY). Image et légende de droite par Digital Globe (CC-BY-SA).

    Elément interactif

    Ce segment de trois minutes, intitulé What Recovery Looks Like In Japan Almost A Decade After Fukushima Nuclear Disaster, fait le point sur les personnes évacuées suite à la catastrophe nucléaire de Fukushima.

    Attribution

    Modifié par Melissa Ha à partir des sources suivantes :