Énergie nucléaire

Selon le contexte d'usage, le terme d’énergie nucléaire recouvre plusieurs sens différents :
La radioactivité est un phénomène physique naturel, se manifestant par le fait que certains types de noyaux atomiques, instables, peuvent dissiper sous forme d'énergie une partie de leur masse initiale (transformée selon la célèbre formule E=mc d'Albert Einstein), et évoluer spontanément vers des noyaux atomiques plus stables (« désintégration »).
Un corps radioactif dégage naturellement cette énergie sous la forme d'un flux de rayonnement ionisant et de chaleur. Cette chaleur est particulièrement intense pour le combustible nucléaire irradié en sortie de réacteur ; c’est la raison pour laquelle le combustible irradié est entreposé dans une piscine de désactivation près du réacteur. C'est le même phénomène qui est à l'origine d'une partie de la chaleur de la croûte continentale terrestre.
Une réaction nucléaire est une réaction dans laquelle un noyau interagit avec une autre particule (particule élémentaire, mais aussi noyau atomique ou rayonnement gamma) et subit un réarrangement nucléaire.
Ces réactions sont d'autant plus faciles qu'elles conduisent à des configurations plus stables. Le différentiel d’énergie (correspondant au différentiel de masse) constitue alors l’énergie libérée par la réaction. Cette transformation de la masse en énergie (selon la célèbre formule E=mc) est utilisée dans les réactions de fission et fusion nucléaire.
Lorsqu’un neutron percute le noyau de certains isotopes lourds, il existe une probabilité que le noyau percuté se scinde en deux noyaux plus légers. Cette réaction, qui porte le nom de fission nucléaire, se traduit par un dégagement d’énergie très important (de l’ordre de par événement, à comparer aux énergies des réactions chimiques, de l’ordre de l’eV).
Cette fission s’accompagne de l’émission de plusieurs neutrons qui, dans certaines conditions, percutent d’autres noyaux et provoquent ainsi une réaction en chaîne. Dans un réacteur nucléaire, cette réaction en chaîne se déroule dans des conditions stables, à vitesse lente et contrôlée. Dans une bombe, où la matière est placée brusquement très loin de son domaine de stabilité, la réaction se multiplie si rapidement qu’elle conduit à une réaction explosive.
L’importance de l’énergie émise lors de la fission provient du fait que l’énergie de liaison par nucléon du noyau initial est plus faible que celle des noyaux produits (environ par nucléon pour les éléments lourds, contre 8,8 pour le fer). La plus grande partie de l’énergie se retrouve sous forme d’énergie cinétique des neutrons et des noyaux fils, énergie récupérée sous forme de chaleur dans les réacteurs. D'après le CEA, l'énergie produite par d'uranium naturel dans un réacteur nucléaire est égale à l'énergie de 10 tonnes équivalent pétrole (tep).
La fusion nucléaire est une réaction où deux noyaux atomiques s’assemblent pour former un noyau plus lourd (par exemple un noyau de deutérium et un noyau de tritium s’unissent pour former un noyau d’hélium plus un neutron). La fusion des noyaux légers dégage une énorme quantité d’énergie provenant de l’interaction forte, bien plus importante que la répulsion électrostatique entre les constituants des noyaux légers. Ceci se traduit par un défaut de masse (cf. énergie de liaison ; E=mc²) ; le noyau résultant ayant une masse moins élevée que la somme des masses des noyaux d’origine.
Cette réaction n’est cependant possible qu’à des températures très élevées (plusieurs dizaines de millions de degrés) où la matière est à l’état de plasma. Ces conditions sont réunies au sein des étoiles ou lors de l’explosion d’une bombe à fission nucléaire, qui amorce ainsi l’explosion thermonucléaire (bombe H).
Actuellement, aucun appareillage ne permet de produire de l’énergie en contrôlant les réactions de fusion nucléaire. Des recherches sont en cours afin d’obtenir un plasma sur une durée suffisante, afin que l’énergie de fusion produite soit supérieure à celle investie dans le chauffage des particules. Des recherches sont actuellement menées dans un cadre international afin de développer l’usage civil de l’énergie de fusion nucléaire pour la production électrique (projet ITER).
L'énergie nucléaire est d'environ 1 % de l'énergie de masse donnée par la formule d'Einstein de l'énergie de masse (ici celle d'un proton) :
C'est l'énergie nécessaire pour séparer un neutron d'un proton. C'est aussi l'énergie de liaison du noyau de l'atome d'hydrogène.
Elle est de l'ordre de un million de fois de celle de l'énergie chimique qui est moins connue et donnée par la constante de Rydberg issue de la théorie de Bohr de l'atome d'hydrogène :
L'énergie nucléaire est généralement attribuée à une interaction hypothétique, la force forte. Une théorie développée sur la force de cohésion des noyaux des isotopes de l'hydrogène indique qu'elle peut s'exprimer par une formule analogue aux précédentes et de valeur intermédiaire:
L'ordre de grandeur de cette énergie de séparation neutron-proton est proche de l'énergie de liaison du deutérium H, , soit par nucléon. Elle est la moitié de celle de la particule formula_4 qui est aussi l'hélium 4, He. Les noyaux du fer Fe et du nickel Ni sont les éléments chimiques qui ont la plus grande énergie de liaison nucléaire, légèrement inférieure à .
Connaissant les formules des énergies nucléaire et chimique, on en déduit l'ordre de grandeur de leur rapport:
Les applications de l’énergie nucléaire concernent, pour l’essentiel, deux domaines :
Une autre application est la production d’isotopes radioactifs utilisés dans l’industrie (radiographie de soudure par exemple) et en médecine (médecine nucléaire et radiothérapie) 
D’autres utilisations ont été imaginées, voire expérimentées, comme la production de chaleur pour alimenter un réseau de chauffage, le dessalement de l’eau de mer ou la production d’hydrogène.
Ces applications utilisent des réacteurs nucléaires (appelés aussi piles atomiques, lorsqu’il s’agit de faible puissance, d’usage expérimental et de production de radioisotopes).
Les réactions de fission nucléaires y sont amorcées, modérées et contrôlées dans le cœur : assemblage de combustible et de barres de contrôle traversés par un fluide caloporteur qui en extrait la chaleur. Cette chaleur est ensuite convertie en énergie électrique (ou en énergie motrice en propulsion navale) par l’intermédiaire de turbines (vapo-alternateurs).
La production d'électricité d'origine nucléaire était de en 2011, ce qui représentait 13,5 % de la production mondiale d'électricité. En 2012, elle n'en représentait plus que 10,8%.
La France est le pays dont la part d'électricité d'origine nucléaire est la plus élevée (74,8 % en 2012), suivie par la Belgique et la Slovaquie avec plus de la moitié de leur électricité produite à partir du nucléaire. La production d’électricité d'origine nucléaire en Chine est en progression rapide depuis le milieu des années 2000, elle était de en 2012, ce qui ne correspond toutefois qu'à 2% de l'électricité chinoise.
Au janvier 2013, le premier parc national de centrales nucléaires est celui des États-Unis (104 réacteurs nucléaires pour une puissance de ), vient ensuite la France (58 réacteurs nucléaires pour une puissance de ). La Chine qui dispose de 16 réacteurs en service totalisant une puissance installée de , a lancé la construction de 29 nouveaux réacteurs soit et envisage un parc total de 216 réacteurs (soit ) pour fin 2030.
Les bâtiments à propulsion nucléaire utilisent un ou plusieurs réacteurs nucléaires. La chaleur produite est transmise à un fluide caloporteur utilisé pour générer de la vapeur d’eau actionnant :
Environ 400 navires à propulsion nucléaire existent dans le monde, très majoritairement militaires, surtout des sous-marins, mais aussi des porte-avions et des croiseurs, et quelques navires civils (des brise-glaces). Des cargos nucléaires ont également été expérimentés dans les années 1960 et 1970 (l’Américain NS "Savannah", l’Allemand "Otto Hahn" et le Japonais "Mutsu"), mais leur exploitation ne s’est pas avérée rentable et ces expériences ont été abandonnées.
Les coûts d’investissement et d’exploitation de la propulsion nucléaire sont importants, ce qui ne la rend pas intéressante pour une utilisation civile. Elle n'est véritablement intéressante que pour un usage militaire, et particulièrement pour les sous-marins.
Cette énergie apporte :
La propulsion nucléaire apporte donc aux sous-marins un avantage déterminant, au point que l’on peut, en comparaison, qualifier les sous-marins classiques de simples submersibles.
Les sondes "Voyager" I et II ont déjà emporté des générateurs nucléaires pour alimenter leur système électronique. En revanche, la "propulsion" nucléaire, au cas où elle serait possible, n’est encore qu’envisagée. Elle aurait l’avantage de produire une poussée, certes faible, mais constante pendant tout le trajet, alors que les engins spatiaux actuels - sauf ceux utilisant l’énergie solaire et les moteurs ioniques - ne peuvent produire qu’une seule poussée initiale, ou quelques ajustements de trajectoire, à cause de la faible contenance de leurs réservoirs. C’est pourquoi on les nomme "balistiques", et c’est aussi pour cela qu’il leur faut atteindre la "vitesse de libération" dès le départ. Sur de longs trajets, interplanétaires par exemple, cette accélération continue pourrait être globalement plus efficace que l’accélération initiale utilisée actuellement.
La puissance de l'énergie nucléaire est dans ce cas utilisée comme explosif. Les puissances des bombes nucléaires vont de la kilotonne à la mégatonne d’équivalent TNT. L’énergie d’une explosion nucléaire est répartie essentiellement dans l’effet de souffle (onde de choc), l’effet thermique, l’effet d’impulsion électromagnétique et les radiations.
Les armes nucléaires sont de deux types :
La bombe à neutrons est une variante de bombe thermonucléaire conçue pour maximiser la part de l’énergie émise sous forme de neutrons ; elle est supposée détruire les plus grandes formes de vie dans le voisinage de la cible, tout en provoquant un minimum de dégâts matériels.
La première utilisation militaire d’une arme nucléaire (« bombe A ») a été en 1945, les 6 et 9 août, le largage de deux bombes sur les villes japonaises d’Hiroshima et de Nagasaki par l’armée américaine, afin de mettre un terme à la Seconde Guerre mondiale. 
Depuis, ce type d’armement n’a fait l’objet que d’essais nucléaires expérimentaux (atmosphériques puis souterrains) puis de modélisations informatiques.
La bombe atomique a été à l’origine de la doctrine de dissuasion ou "équilibre de la terreur" qui a été développée durant la Guerre froide.
Dans la doctrine d’emploi de la plupart des puissances nucléaires, on distingue :
La doctrine française n’a jamais considéré l’emploi d’armes nucléaires à des fins tactiques. Des armes de relative faible puissance (missiles Pluton puis Hadès, aujourd’hui retirés, missiles de croisière ASMP) sont définies comme "pré-stratégiques" ; dans cette conception, ces armes ne servent qu’accessoirement à un but militaire sur le terrain, leur principal effet étant celui d’un « ultime avertissement », de nature politique, pour prévenir les dirigeants ennemis que les intérêts vitaux de la France sont désormais en jeu, et que le prochain échelon des représailles sera thermo-nucléaire.
Pendant la Seconde Guerre mondiale, la production d'armes atomiques était la principale raison d'être de l'industrie nucléaire.
Depuis les années 1970, cette industrie travaille aussi pour la production d'énergie.
La production d'énergie nucléaire est une activité de haute technologie, et qui demande un contrôle rigoureux et permanent.
Ce contrôle est aussi bien le fait des autorités de sûreté nationales (Autorité de sûreté nucléaire pour la France) qu'internationales (comme l'AIEA, ou Euratom en Europe).
Comparé à d'autres sources d'énergie, l'énergie nucléaire civile nécessite des investissements initiaux très importants, mais bénéficie d'un coût d'exploitation plus faible par kilowatt heure produit, conduisant à un faible taux de rentabilité interne : l'investissement dans le nucléaire ne se conçoit que dans le cadre d'une politique à très long terme.
Cette exploitation se poursuit sur des durées qui se chiffrent en dizaines d'années. Le coût de l'énergie nucléaire dépend fortement de la durée sur laquelle l'investissement initial est amorti, et la prolongation éventuelle de leur exploitation constitue un enjeu économique très important.
Le coût du combustible nucléaire est principalement dû à l'enrichissement de l'uranium et à la fabrication des éléments combustibles, qui nécessitent une technologie relativement complexe. La part du minerai d'uranium dans le coût de l'énergie est faible comparée à celles des énergies fossiles : l'énergie nucléaire est par elle-même la source d'une activité industrielle spécialisée.
Le coût du nucléaire a été évalué par le gouvernement, pour la vente de l'électricité issue du nucléaire aux concurrents d'EDF (loi NOME), à le mégawattheure au janvier 2012, et il passerait à en incluant les travaux de sécurisation post-Fukushima selon des rapports du Sénat et de la Cour des comptes. Il pourrait même, selon certains sénateurs, atteindre le mégawattheure en réévaluant les coûts de démantèlement et en ajoutant les coûts des assurances couvrant les cas de catastrophe. En mai 2016, le président de l'Autorité de sûreté nucléaire, désigne par ailleurs un "contexte de sécurité préoccupant", compte tenu d'un budget de maintenance insuffisant.
L'investissement dans les réacteurs EPR d'Hinkley Point a été jugé trop risqué dans les circonstances de 2016 par l'ancien directeur financier d'EDF ainsi que par la Cour des Comptes ; leur production serait vendue par mégawattheure, alors que le prix de gros de l'électricité est en 2016 inférieur à , en France et en Allemagne. Selon EDF, la rentabilité après impôts de cet investissement sur 70 ans est estimée à 9 % ; elle ne peut pas être évaluée sur la base d'un prix de marché à court terme. Un calcul de rentabilité sur une période de 70 ans est toujours contestable, car il repose sur des hypothèses fragiles, compte tenu de l'innovation technologique.
Le lancement de la Centrale nucléaire de Flamanville a par ailleurs été repoussé à la fin 2018, tandis que le coût du chantier a été évalué en 2016 à 10,5 Milliards d'Euros au lieu des 3,3 Milliards initiaux. De plus, à l'été 2016, l'ASN n'avait pas autorisé une éventuelle mise en service en particulier à cause les anomalies détectées sur la cuve. Le coût élevé des EPR est lié en particulier à un dimensionnement calculé pour que ceux-ci fonctionnent avec 100% de Combustible MOX. 
L'intérêt économique du Mox,qui représente 10 % de l'électricité nucléaire française produite, à travers la filiale Melox est discuté. Une commission d'enquête du parlement français, sur les coûts du nucléaire a conclu en 2014, qu'elle avait une grande difficulté à évaluer l'intérêt économique du Mox par rapport au simple stockage des déchets, mais que dans le meilleur des cas « il ne revenait pas plus cher de stocker directement le combustible usé que de le retraiter », la filière MOX impliquant des risques supérieurs. Évaluer la rentabilité économique du Mox implique aussi de prendre en compte les externalités induites par une gestion des déchets plus complexe et des risques supérieurs à la filière classique. Areva est depuis 2011 le seul producteur mondial de Mox en attendant l'éventuelle construction d'une usine de retraitement et recyclage prévue en Chine par CNNC (lettre d'intention signée avec Areva en 2013). 
En janvier 2016, aucun accord commercial avec la Chine, au-delà de cette lettre d'intention, n'était encore intervenu. Le recyclage des déchets nucléaires, autrefois réalisé par l'usine d'extraction du plutonium de Marcoule arrêtée en 1998, est effectué à l'usine de retraitement de la Hague. D'après un rapport, daté de 2012, de l'Andra: si le projet de réduction de la part du nucléaire à 50 % est poursuivi à l'horizon 2025 (engagement du président Hollande), et si la production de plutonium devait s'ajuster à la consommation de Mox, cela impliquerait un arrêt du retraitement du plutonium à l'usine de la Hague vers 2018-2019. À l'été 2016, la Programmation pluriannuelle de l'énergie ne mentionnait cependant pas de décision sur le projet de construction du réacteur Astrid, étroitement lié à cette filière.
La Chine travaille, par ailleurs, en partenariat avec les États-Unis, sur la mise au point d'une technologie de réacteur nucléaire à sels fondus,dont le coût de revient serait à titre de comparaison inférieur à celui du charbon.
Les risques et les coûts ne sont pas évalués de la même façon par les pro-nucléaires et les anti-nucléaires, qui se divisent aussi au sujet de l’utilité des applications nucléaires civiles et militaires, en particulier de la production d’électricité nucléaire et de l’opportunité d’une sortie du nucléaire civil.
Les applications civiles de l’énergie nucléaire sont controversées en raison  : 
Cependant, les partisans des applications civiles de l'énergie nucléaire avancent d'autres arguments :