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Énergie, pollution de l’air et développement durable

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Claude Ronneau

Chapitre 6. L’énergie nucléaire

Texte intégral

1En même temps qu’un nuage radioactif, l'accident de Tchernobyl a répandu sur l'Europe une vague de panique irraisonnée. Et pourtant, assez rapidement après les premières retombées de poussières radioactives, on a constaté que l'impact sur la santé humaine serait négligeable, qu'il prêterait à infiniment moins de conséquences que les pollutions auxquelles nous souscrivons quotidiennement parce qu'elles font partie de nos habitudes. Pourquoi donc un tel excès dans les réactions ; pourquoi cette terreur de la radioactivité, disproportionnée vis-à-vis d'autres risques qui nous laissent indifférents ? Comment peut-on accepter de fumer, boire de l'alcool, rouler en voiture automobile alors que le risque encouru dépasse, et de loin, ce dont nous menacent les quelques bouffées de radioactivité apportées d'Ukraine.

2Au lendemain de Tchernobyl, un proche de l’auteur, complètement paniqué, s'est empressé de retourner son potager, d'en arracher les salades et de les enterrer. Comme il avait eu quelques lectures au sujet de la radioactivité et de ses méfaits, il avait pris la sage précaution de travailler avec des gants, ce en quoi il avait parfaitement raison car toute contamination doit être réduite au minimum. Mais le ridicule de la situation tient en ce qu'il était un fumeur invétéré, parfaitement conscient des dangers de son assuétude. Des réactions tellement disproportionnées face à ces deux risques, s’expliquent sans aucun doute par le fait qu'il était habitué à ses cigarettes mais se trouvait désemparé devant le mystère de la radioactivité. On sait aujourd'hui que, dans l’Europe des Quinze, le risque sanitaire maximum attribuable à l'accident de Tchernobyl équivaut, dans le pire des cas, à ce qu’on aurait pu encourir en fumant, au plus, cinq cigarettes. Ou bien encore l’excès de dose délivré suite à l’accident correspond-t-il à ce que l’on encaisse durant un séjour d’une semaine en Bretagne ou en Auvergne (influence de l’uranium contenu dans le granite) ou lors d’un trajet aller-retour entre Paris et New York (effet des rayons cosmiques). Ces estimations ne décrivent plus un risque tangible : elle ont pourtant l'avantage de situer et de relativiser les problèmes. La panique irrationnelle qu'ont connue bien des Européens a certainement été bien plus néfaste pour leur santé que la consommation de salades, tout radioactives qu'elles aient pu être.

LA RADIOACTIVITE ET SES EFFETS

1. Qu’est-ce que la radioactivité

1.1. Pourquoi la radioactivité fait-elle peur ?

3On peut comprendre les raisons qui génèrent de telles réactions : les causes en sont variables mais toutes, peu ou prou, agissent probablement dans le subconscient pour susciter l'épouvante.

  • La radioactivité fait peur parce qu'elle est associée à « la bombe ». La première prise de conscience de l’existence d’une énergie dite « atomique » est apocalyptique : elle est associée aux hécatombes de Hiroshima et de Nagasaki. La surenchère militariste a fait en sorte que, il y a une vingtaine d’années, la puissance de l'arsenal nucléaire accumulée par les bons soins des militaires aurait suffi à liquider toute forme de vie supérieure à la surface de la terre.
  • La radioactivité est cancérogène et mutagène : elle est susceptible d’induire ces maux que l’on ne peut pas toujours guérir et qui terrorisent.
  • Il existe bon nombre de détecteurs relativement simples et peu coûteux, capables de mesurer de très faibles niveaux de radioactivité. Le moindre effluve radioactif est donc aisément quantifiable, au contraire des polluants « chimiques » classiques qui exigent des moyens de détection sophistiqués et passent ainsi facilement inaperçus.
  • La radioactivité est mystérieuse parce qu’on ne la perçoit pas : la nature n'a trouvé aucun intérêt à la rendre sensible parce que nous n'en retirerions aucun avantage. Nous ne percevons pas non plus les rayons ultra-violets ou infrarouges, ni les ondes radio, ni les rayons X. On ne « sent » pas les rayonnements radioactifs, même à une dose mortelle mais eux ils font peur.
  • On peut quantifier, avec une assez bonne exactitude, les effets néfastes que la radioactivité peut exercer sur la santé. Il est même possible d’estimer ce que seront les conséquences de doses faibles administrées à un grand nombre de personnes ; des doses tellement faibles que les effets en seront indiscernables dans la masse des affections qui menacent les populations humaines. Nous reviendrons sur ces estimations souvent très controversées, voire discutables, qui mènent à publier des bilans alarmistes s'ils sont présentés sans les nuances adéquates.

1.2. Il faut relativiser les données relatives aux risques de l’existence

4Lorsqu’on souhaite évaluer le danger présenté par des substances toxiques, il convient de mentionner leurs concentrations et les comparer aux teneurs naturelles. Cette règle élémentaire doit être transposée au sujet qui nous occupe ici : lorsqu'on parle de radioactivité, il ne suffit pas de dire qu'il y en a, encore faut-il la quantifier et faire la comparaison avec ce que la nature nous administre à longueur de vie en vue d’apprécier, à leur juste mesure, les risques subis par une exposition naturelle ou artificielle à ce phénomène. Le problème réside en ce que l’approche d’un tel domaine plonge dans un monde bien étrange et on est obligé, à ce moment-là, de se familiariser avec des phénomènes déroutants affublés d'unités de mesure insolites. Il va donc falloir aborder quelques considérations et définitions qui permettront de mieux faire connaissance avec ce mal insidieux.

1.3. Que sont les rayonnements ionisants ?

5La radioactivité prend naissance dans le noyau des atomes (noyau : en latin « nucleus » → nucléaire). Les phénomènes qui se déroulent à cette échelle mettent en jeu des énergies très faibles en absolu mais énormes à l’échelle atomique et moléculaire. L’unité de mesure adaptée au monde atomique est l’électron-volt (symbolisé par eV) qui vaut :

1 eV = 1,6 10-19 joule

  • 1 L’équation de Planck-Einstein lie l’énergie d’une onde électromagnétique E = énergie (en J) à sa f (...)

6C’est l’énergie cinétique que peut acquérir un électron (charge = 1,6 10-19 coulomb) accéléré par une différence de potentiel d’un volt. Il s'agit donc bien d'une énergie incommensurablement petite. Cette définition permet de comparer l’énergie véhiculée par différents rayonnements : nous en avons fait état au chapitre V dans le cas de l’énergie solaire. Les rayonnements électromagnétiques dont il est question ici résultent de la vibration de charges électriques, à l’instar, par exemple, des ondes radio qui sont produites par l’oscillation d’électrons dans une antenne. Les ondes TV, radar et les micro-ondes sont de même nature. La différence ne porte que sur la fréquence (ν) et donc sur l’énergie (E) de ces oscillations (rappelons ici l’équation de Planck-Einstein : E=hν)1. Pour donner une vue d’ensemble très schématique :

  • la lumière solaire, dans sa partie visible, est constituée de « photons » dont l’énergie est de l'ordre de 2 à 3 eV. Ils proviennent de couches électroniques externes d’atomes excités par l’énergie thermique qui règne à la surface du soleil portée à la température de 6 000 K ;
  • les rayons ultraviolets sont plus puissants, donc plus nocifs : ils s’attaquent à l’ADN des cellules vivantes et peuvent ainsi détruire les cellules de la peau. Ce sont des photons dont l’énergie est de l’ordre de 10 eV. Ils dérivent de la partie la plus énergétique du spectre de lumière émise par la surface du soleil ;
  • les rayons X qui traversent partiellement notre corps atteignent quelques dizaines à quelques centaines d'eV ;
  • les rayonnements nucléaires, quant à eux, trouvent leur origine dans l’excitation des nucléons au sein des noyaux atomiques. Leur énergie se situe dans une gamme de quelques centaines à quelques millions d'eV ;
  • nous devons citer aussi les rayons cosmiques issus du cœur des étoiles et dont l'énergie se chiffre en milliards d'eV.

7On constate donc que plus les oscillateurs (les antennes) sont petits et plus la fréquence des oscillations électroniques augmente. On pourrait faire la comparaison avec les cordes d’une harpe qui, de plus en plus courtes, produisent un son de plus en plus aigu. Dans le cas des ondes radio, TV, radar et des micro-ondes, les électrons oscillent dans des antennes dont les dimensions vont de quelques dizaines de mètres à quelques centimètres. Dans le cas des rayonnements infrarouges, ce sont des molécules (cfr. l’effet de serre) ; pour les ondes visibles et UV, ces oscillateurs sont les atomes, antennes microscopiques composées d'électrons gravitant autour d'un noyau extrêmement dense. Pour provoquer une émission d'ondes par les atomes, il suffit, par exemple, de les « secouer » en les bombardant avec des électrons-projectiles produits par une décharge électrique : c'est ce qui se passe dans les tubes d’éclairage. La fréquence des vibrations électroniques à la périphérie des atomes correspond à de la lumière UV et visible. Si on bombarde encore plus violemment les atomes (par des électrons accélérés sous des tensions de plusieurs milliers de volts), on arrive à ébranler les électrons les plus internes des atomes : on produit alors des rayons X, très énergétiques, très pénétrants.

8Le noyau atomique, minuscule point de matière au centre de l'atome, est un émetteur de rayonnements encore plus puissants. Il est possible de lui faire « cracher » des rayons gamma (rayons S) mais, ici, les énergies à mettre en oeuvre sont encore d'un autre ordre de grandeur et on doit avoir recours à des engins un peu particuliers, des accélérateurs tels que les cyclotrons, pour bombarder efficacement les noyaux atomiques avec des particules sub-atomiques (des protons, p.ex.) et perturber ainsi leur agencement.

Origine des rayonnements électromagnétiques de l’atome

9Etant donné que l'énergie des photons est liée à leur fréquence on comprendra que la différence d’énergie qui les caractérise et donc les types d’effets qu’ils peuvent engendrer sont liés à leur longueur d’onde. Si la lumière visible ne peut que nous éblouir, les rayons UV sont capables d’administrer de sérieux dégâts à la peau. Les rayons X, de fréquence encore plus élevée, arrivent, au moins partiellement, à traverser le corps humain pour laisser leur marque sur les plaques radio-photographiques. Au passage, ils auront aussi quelque peu altéré les tissus traversés. Quant aux rayons S, ils traversent le corps de part en part sans pratiquement être arrêtés ; ils arrivent même à pénétrer des blindages épais, ce qui, par ailleurs, complique les opérations de radioprotection. La pénétration des rayonnements les plus énergétiques (RX, rayons S) à travers toute espèce de matière a pour effet d'y induire des ionisations : les rayons perdent tout ou partie de leur énergie en arrachant des électrons aux atomes qu'ils rencontrent. De là le nom de « rayonnements ionisants » que l'on donne aux rayons X et aux rayons nucléaires.

1.4. Les rayonnements particulaires

10Les noyaux atomiques sont également capables de se désactiver par émission de particules : c'est le cas de l'émission des rayonnements α et β. Au contraire des rayons γ qui sont purement électromagnétiques, les rayons α et β sont constitués de particules chargées électriquement ce qui accroît l’efficacité de leur freinage au sein de la matière traversée puisqu'ils vont interagir très intensément avec les électrons des atomes qu'ils croisent sur leur parcours. Mais un freinage plus efficace signifie aussi que ces particules vont transmettre toute leur énergie sur de plus courtes distances à la matière qu'elles traversent et y provoquer ainsi une plus forte densité de dégâts. Pour résumer la situation, on constate que :

  • les rayons α (noyaux d'hélium) sont arrêtés par quelques centimètres d'air ou par une feuille de papier à cigarette : leur énergie est pourtant très élevée mais, étant porteurs de deux charges électriques, ils sont très efficacement freinés par le moindre écran ;
  • les rayons β (des électrons) peuvent parcourir quelques mètres dans l'air ou pénétrer de quelques millimètres dans la peau ;
  • les rayons γ peuvent traverser des dizaines, voire des centaines de mètres d'air, des murs, des blindages métalliques ; ils traversent le corps humain qui ne leur offre pas un obstacle très efficace bien qu'ils y induisent quelques dégâts au passage.

11Les dommages induits par les rayonnements ionisants sont à l’origine du danger qu'ils présentent pour la santé. Ils sont dangereux parce que, en traversant la matière, inerte ou vivante, ils y dissipent leur énergie en provoquant des ionisations qui se traduisent par diverses altérations : fragilisation de matériaux (le bois, le plastique, par exemple), altérations chromosomiques, destruction de tissus vivants, ... Les effets des radiations se mesurent par la quantité d'énergie qu’elles déposent dans la matière exposée. On a défini une unité destinée à exprimer ce dépôt, il s'agit de la dose dont l'unité est le gray (Gy) : dans le Système International de mesures (SI) une dose d’un gray correspond au dépôt d'une énergie d’un joule par kg de matière :

1 Gy = 1 J/kg

12Pour ce qui concerne la matière vivante, il faut affiner les estimations étant donné que, pour une même dose délivrée, différents rayonnements peuvent exercer sur les tissus vivants des effets de nocivité différente. On doit donc, en cas d'irradiation d'un être vivant, affecter la dose (exprimée en Gy) d'un « facteur de qualité » qui tienne compte de la nocivité relative des différents types de rayonnements. On définit ainsi une nouvelle unité de dose qui sera dorénavant notre référence exclusive, dans la mesure où notre intérêt va porter avant tout sur l'effet sanitaire des radiations. On parlera donc du « sievert » (Sv) :

1 Sv = 1 Gy × facteur de qualité

13On y reviendra plus tard, 1 Sv correspond à une dose très importante chez l’homme.

14En fin de compte, il faut signaler l’importance du « débit de dose », c’est à dire de l’intensité avec laquelle une dose donnée de rayonnement est administrée à des tissus vivants : une dose, étalée dans le temps, permet aux tissus de se régénérer, ce qui n’est pas le cas si elle est administrée en un laps de temps très court, auquel cas la destruction des tissus est telle que des séquelles sont prévisibles. C’est la raison pour laquelle des débits de dose très importants sont administrés, de manière très « ciblée », dans le traitement de tissus cancéreux.

2. Caractéristiques de la radioactivité

15On l’a dit, le rayonnement radioactif trouve sa source dans le noyau de l'atome et, si certains noyaux émettent des rayonnements, c'est qu'ils ont à perdre un excès d'énergie, pour recouvrer un état de plus grande stabilité. Les raisonnements tenus dans le chapitre consacré à l'énergie gardent toute leur validité lorsqu’on passe à l'échelle atomique ou nucléaire. Un atome radioactif possède un noyau qui constitue un minuscule réservoir d'énergie très concentrée et cette énergie tend spontanément vers une plus grande dispersion (vers plus de désordre) en s'échappant du noyau atomique sous forme de rayonnement, pour aller se perdre dans la matière environnante. Le plus souvent, quand le noyau a ainsi dissipé son excédent d'énergie (quand il s'est « désintégré »), il devient stable (il n'est plus radioactif) et se fond discrètement dans la matière qui l'entoure.

2.1. Radioactivité et période radioactive

16Différents atomes radioactifs se distinguent entre eux par une plus ou moins grande stabilité de leurs noyaux (des « radionucléides ») : ils diffèrent par la probabilité qu'ils ont de se désintégrer. Une longue durée de vie moyenne à l'état instable est liée à une faible probabilité de désintégration et vice versa. On connaît des atomes radioactifs dont la durée d'existence moyenne est d'une minime fraction de seconde tandis que d'autres ont une espérance de vie de plusieurs milliards d'années. On conçoit alors que l'intensité du rayonnement émis à un moment donné par un ensemble d'atomes radioactifs similaires dépende : (1) du nombre d'atomes présents à ce moment dans l’échantillon, (2) de leur probabilité de désintégration.

17La radioactivité de cet ensemble d’atomes va décroître dans le temps avec la désexcitation progressive des atomes instables (radioactifs). De ces considérations découle la notion très importante de « période radioactive ». Imaginons un échantillon contenant, disons, un million d'atomes identiques, tous radioactifs, atomes dont le noyau contient un excédent d'énergie potentielle à dissiper (sous forme de rayonnements ionisants). Le noyau de ces atomes présente une certaine probabilité de se désactiver en un laps de temps donné : cette désactivation va se faire au hasard. Certains noyaux vont se désactiver tout de suite, d'autres ne vont le faire que beaucoup plus tard. Mais il est évident que plus grand est le nombre d'atomes présents dans l’échantillon et plus grand est le nombre d'atomes qui auront la probabilité de se désintégrer à chaque seconde qui passe. En d'autres termes, le taux d'émission de rayonnements sera d'autant plus important que le nombre d'atomes radioactifs est élevé dans l'échantillon. On peut ainsi poser que l'activité (A) de l'échantillon est proportionnelle au nombre d'atomes radioactifs présents (N) :

A= λ N

  • 2 Du nom de Henri Becquerel qui découvrit la radioactivité naturelle en 1896, dans un échantillon de (...)

18L'activité d’un échantillon donné de matière radioactive s'exprime en becquerels dont le symbole est Bq2. Un becquerel correspond à une activité d'une désintégration par seconde :

1Bq = 1dés./s

19Au départ de l’expérience, beaucoup (1 million) d'atomes radioactifs sont présents dans l’échantillon dont l’activité est élevée. Mais, au fur et à mesure que le temps s'écoule, de plus en plus de désintégrations se sont produites et l’échantillon s'épuise en atomes radioactifs : son activité décroît donc progressivement dans le temps. On désigne par t1/2 le temps au terme duquel il ne reste plus, dans l’échantillon, que la moitié (500.000) du nombre d'atomes radioactifs de départ. Ce temps t1/2 est caractéristique des radionucléides pris en considération, il est appelé : période radioactive ou encore, « demi-vie radioactive ». On comprend aisément que, s’il s'écoule encore une deuxième période t1/2, le nombre d'atomes aura à nouveau été réduit de moitié (250.000), et ainsi de suite. Remarquons tout de suite que, l'activité de l'échantillon étant liée au nombre d'atomes qui doivent se désintégrer, elle va suivre une évolution tout à fait parallèle à l’évolution du nombre d’atomes radioactifs présents dans l’échantillon. Après six ou sept périodes, l'activité de l'échantillon est fortement réduite en comparaison avec la situation de départ (environ le centième).

2.2. Que sont les atomes radioactifs ?

20Rappelons que, en toute rigueur, le phénomène radioactif trouve son origine dans le noyau atomique : on devrait donc parler de noyaux et non d’atomes radioactifs. Toutes les substances connues sont formées d'atomes dont on connaît actuellement un peu plus de 110 espèces différentes (110 éléments) : ils sont classés par « numéro atomique » croissant dans le tableau périodique des éléments (tableau de Mendéléev). Tous les atomes de nombre atomique supérieur à 83 sont radioactifs et ceux de nombre supérieur à 92 ont tous été créés artificiellement. Ce sont les « transuraniens » qui tirent leur nom du fait que, dans la classification périodique, ils se situent après l'uranium de nombre 92. Ces atomes-là sont radioactifs parce que leur noyau est trop volumineux et donc instable : ainsi qu’une goutte d’eau trop grosse, ils tendent à se diviser ou à expulser des particules α. Deux éléments plus légers, le technétium, de nombre 43, et le prométhéum, de nombre 61, sont eux aussi radioactifs et purement artificiels.

21L'uranium et le thorium sont, en fait, les deux derniers éléments du classement que l'on retrouve à l'état naturel. Ils sont radioactifs et s'il s'en trouve encore dans la croûte terrestre, c'est que leur période radioactive est tellement longue (quelques milliards d'années) qu'ils n'ont pas encore fini de se désintégrer depuis que la matière a été formée au sein d’étoiles. C'est également le cas d'un isotope du potassium de nombre 19 mais de masse 40 (symbolisé par 40K), dont la période de 1,28 milliards d'années lui a permis de survivre jusqu'à présent, en mélange avec le potassium stable (39K et 41K). C'est un élément radioactif important, au même titre que l'uranium, parce qu'il apporte une contribution importante à la radioactivité naturelle.

  • 3 Isotopes = qui occupent la même place (dans le tableau périodique).
  • 4 K pour « kalium », de l’arabe « al khali » qui veut dire « la cendre » : le potassium se retrouve (...)

22Un noyau atomique est constitué de deux types de particules, les protons et les neutrons (des « nucléons »), particules très solidement soudées les unes aux autres. Les protons portent une charge électrique positive, tandis que les neutrons, comme leur nom l'indique, sont électriquement neutres. Le nombre de protons présents dans un noyau détermine le nombre de charges positives portées par ce noyau et donc le nombre d'électrons qui doivent graviter autour du noyau pour assurer la neutralité de l'édifice atomique ainsi constitué. Ce nombre de protons correspond au numéro atomique des atomes signalé ci-dessus qui définit leur classement dans le tableau périodique (et, par là même, leurs propriétés chimiques). Les neutrons sont le ciment qui assure la cohésion des nucléons : ils n'apportent que de la masse au noyau, ils n’interfèrent en rien dans la structure électronique de l'atome ni dans ses propriétés chimiques. C'est ainsi qu'un même élément chimique peut être composé d'atomes dont les noyaux diffèrent entre eux par une masse légèrement différente (parce que ces noyaux possèdent un nombre différent de neutrons), tout en gardant les mêmes caractéristiques chimiques (parce qu’ils ont tous le même nombre de protons) : on dit que ces éléments sont un mélange d'isotopes3. Par exemple, le potassium naturel (symbole K)4 est un mélange d'atomes dont les noyaux portent tous 19 protons (et sont donc tous entourés de 19 électrons), mais ces noyaux contiennent des quantités différentes de neutrons :

  • 93,3 % des atomes de potassium ont un noyau contenant 20 neutrons (au total, 39 particules),
  • 0, 0112 % en contiennent 21 (au total, 40 particules) et
  • 6,7 % en contiennent 22 (au total, 41 particules).

23On symbolise ces trois variétés de potassium (nous dirons : ces trois isotopes du potassium) par, respectivement : 39K 40K 41K et dans lesquels les indices font le bilan du nombre total de particules (neutrons + protons = nucléons) dont sont composés les noyaux. Deux de ces isotopes sont stables, il s'agit de 39K et 41K, tandis que 40K est radioactif. Ainsi donc, dès qu'on se trouve en présence de potassium, sous quelque forme chimique que ce soit et quelle que soit son origine, on a affaire à une substance (légèrement) radioactive. Il est important de s'en rendre compte lorsqu'on parle de radioactivité : le potassium se trouve partout dans la croûte terrestre, dans les matériaux de construction, dans la matière vivante, ... et donc, dans notre corps. En conséquence de quoi, nous sommes tous naturellement et irrémédiablement radioactifs ! Les techniques nucléaires parviennent à créer de nouvelles espèces d'atomes radioactifs ; on parle alors de « radioactivité artificielle », par opposition à la « radioactivité naturelle ». Ignorer l'existence de cette dernière quand on fait le bilan de l’exposition de l’être humain aux rayonnements artificiels est faire preuve d'incompétence ou de malignité.

2.3. Les radiations naturelles

24Toute vie sur terre baigne dans un monde de radiations : on en distingue trois sources :

25- les rayons cosmiques ;

26- les radio-isotopes formés en permanence suite aux réactions induites dans l’air par les rayons cosmiques ;

27- les radio-isotopes de très longue période radioactive, qui ont survécu depuis la formation de la matière dans les étoiles : on les appelle « radionucléides primordiaux ». Il y a aussi les radio-isotopes descendants de certains de ces radionucléides primordiaux. Examinons ces quelques sources de rayonnements.

28-Les rayons cosmiques. L'atmosphère entourant la terre est un bouclier efficace pour intercepter les rayons UV du soleil. Simultanément, l'atmosphère nous protège assez efficacement de l'irradiation par les rayons cosmiques produits dans les étoiles suite aux perturbations extrêmement violentes qu'y subissent les nucléons. Le flux des rayons cosmiques augmente donc avec l'altitude et un vol en avion ou un séjour en montagne exposent à des doses significatives de ce type de rayonnements ionisants. Les rayons cosmiques délivrent, au niveau de la mer, une dose de 0,03 10-6 Sv par heure tandis que cette dose se monte à 5 10-6 Sv par heure à 12.000 m d'altitude, soit 160 fois plus. On comprend que les équipages d'avions soient soumis à un contrôle systématique des doses qu'ils encaissent dans l'exercice de leur profession.

29- Les radionucléides primordiaux. Ce sont donc les noyaux instables dont la probabilité de désintégration est tellement faible qu’ils ont survécu depuis la formation de la matière : leur période radioactive est supérieure à, disons, 300 millions d'années. Les principaux en sont :

40K, 232Th, 235U et 238U

30soit donc le potassium, déjà signalé, le thorium et deux isotopes de l'uranium. On en reparlera car ces radio-isotopes sont très importants du point de vue des doses (naturelles) qu'ils délivrent à tout organisme vivant à la surface de la terre : on parle là de rayonnements d’origine tellurique. Il faut savoir, par exemple, qu’un corps humain de 75 kg recèle une masse de 180 g de potassium. Or, chaque gramme de potassium contient assez de 40K pour débiter une activité de 31 Bq (31 désintégrations par seconde). Tout calcul fait, cela signifie que, à chaque seconde qui passe, notre corps est le siège de 5.500 désintégrations attribuables à ce seul radionucléide. Encore une fois, il s’agit là d’un phénomène naturel que l'on ne peut passer sous silence quand on parle du risque radioactif (radioactivité interne). Uranium et thorium sont présents dans le sol et dans les matériaux de construction : ils sont préoccupants parce que, après s'être désintégrés, ils donnent naissance à tout une série (une filiation) d'autres radionucléides dont l'un est remarquable : il s'agit du radon, un gaz dit « noble » (inerte) et radioactif (t1/2 = 4 jours). Le radon est produit dans tout matériau naturel contenant des traces d'uranium, que ce soit le sol, le béton, des briques, le granit, ... Comme il s'agit d'un gaz, dès qu’il est produit par désintégration du radium, il se met à diffuser dans le matériau et arrive à l'air libre dans lequel il se répand. Ce gaz est radioactif et nous le respirons à longueur de vie : le radon est le principal responsable des doses de radioactivité que nous recevons de notre environnement.

  • 5 Les aurores boréales sont la manifestation visible de la violence de ces réactions.

31- Les radionucléides produits par les particules solaires. Il s'agit d'espèces radioactives à demi-vie relativement courte, mais qui sont produites en permanence suite aux collisions violentes que les protons émis par le soleil font subir aux atomes de l'air lors de leur pénétration dans la haute atmosphère5. Les principaux de ces radionucléides sont le carbone-14 et le tritium (un isotope de l'hydrogène) : 14C et 3H. Il s’agit d’éléments constitutifs de la matière vivante : durant leur existence, ils vont donc s'intégrer progressivement dans les organismes sous forme de 14CO2 et de 3H2O et provoquer une irradiation interne, à l’instar du potassium-40 : l'irradiation est cependant moins importante avec 14C et 3H. Au total, notre corps est le siège d’environ 8.000 désintégrations par seconde : encore une fois, il s’agit toujours là de radioactivité naturelle.

32C'est le moment de remarquer que certaines techniques sont susceptibles d'accroître les doses de rayonnement auxquelles nous exposent les radionucléides naturels. Par exemple, brûler du charbon envoie dans l'atmosphère, en même temps que les poussières de combustion, les radionucléides qu'il contient parce que, comme tout matériau extrait de la croûte terrestre, le charbon renferme du potassium, de l'uranium et ses produits de filiation radioactive. Un autre exemple est le traitement industriel de roches dites « apatite » (phosphates) qui aboutit à la production d'engrais phosphatés. Certaines variétés d’apatite contiennent des quantités appréciables d'uranium ainsi que du radium qui, après la production des superphosphates, se retrouve dans le sous-produit de la fabrication, le gypse à partir duquel on fabrique du plâtre (le « phospho-gypse »). Dans les habitations dont les murs intérieurs en sont recouverts, on observe des niveaux de radon significativement plus importants. Des sols granitiques peuvent être radioactifs jusqu’à un taux de 8.000 Bq par kilogramme : il est donc manifeste que des habitations construites sur de tels sols et faites de pierres extraites sur place, exposent leur habitants à des doses de radiations telluriques relativement élevées.

2.4. La radioactivité artificielle

33Depuis la découverte de la radioactivité artificielle par Irène et Frédéric Joliot-Curie, en 1934, on est parvenu à créer des centaines de radionucléides artificiels pour une large gamme d'emplois en médecine, pour la production d'énergie et pour différentes techniques de détection, de diagnostic médical.

  • 6 Sauf en quelques sites particulièrement riches en uranium ou en thorium, en Inde et au Brésil.

34Au contraire de la radioactivité naturelle qui est dispersée de manière à peu près homogène à la surface des continents6, la radioactivité artificielle et les sources de radiations ionisantes (générateurs de RX) sont concentrées en des endroits spécifiques. A l'heure actuelle, les doses délivrées pour raisons médicales (diagnostic, radiothérapie), sont la cause principale d'exposition aux radiations ionisantes artificielles. Ces doses varient très largement d'un individu à l'autre suivant le traitement (ou l'absence de traitement) auquel il est astreint. On peut cependant se faire une idée assez exacte de la dose médicale moyenne à laquelle est soumise la population d'un pays donné. Sur le plan de l’exposition professionnelle, les doses les plus importantes sont celles délivrées dans l'industrie nucléaire, dans les services de radiologie et de radiothérapie médicales ou bien encore en recherche nucléaire.

35Les tests nucléaires en atmosphère libre ont été responsables des retombées radioactives les plus importantes à l'échelle de toute la planète. Elles ont culminé durant les années soixante. Ces tests ont été responsables de l'accroissement dans l'air des teneurs en 14C et en 3H par réactions avec les gaz de l’air, des neutrons de haute énergie émis durant ces explosions. A chaque stade de la production d'énergie électrique d'origine nucléaire, des substances radioactives sont relâchées dans l'environnement et participent ainsi à l'irradiation de la population. Ce sont là des émissions dites « concertées » qui ne sont tolérables qu’avec la garantie d’une innocuité maximale pour la population.

2.5. Les émissions accidentelles de radioactivité

36Les principaux lâchers accidentels de radioactivité dans l’environnement ont été le fait d’accidents de réacteurs, à l’exception de l’explosion d’un conteneur de déchets radioactifs à Kyshtym (URSS) en 1957. Il est difficile de prévoir ce que peut provoquer un accident survenant à un réacteur ou à un stockage de déchets radioactifs : tout dépend évidemment de la gravité des avaries. Il y a eu quatre accidents majeurs dans l'histoire du « nucléaire pacifique » : Windscale en Grande-Bretagne (1957), Kyshtym, dans l'Oural (1957), Three Mile Island aux Etats-Unis (1979), et Tchernobyl en Ukraine (1986). Tchernobyl et Kyshtym ont été les accidents les plus graves : le 26 avril 1986, le réacteur d'Ukraine relâchait dans l'environnement 4 1018 Bq de matières radioactive qui se sont disséminées sur toute l'Europe où elle se sont déposées, surtout sous l’effet des pluies qui ont lessivé l'atmosphère au début du mois de mai. Nous reviendrons plus tard sur les conséquences de cet accident. Pour l’instant, replaçons-le dans le contexte général de toutes les émissions de radioactivité, accidentelles ou délibérées, qui ont marqué l’histoire de la deuxième moitié du 20e siècle (ordres de grandeur).

37A titre de comparaison, signalons que les émissions annuelles de radon, à la surface des continents atteignent 6,3 1019 Bq par an, soit quinze fois plus que Tchernobyl ! ... Mais ici encore il faut relativiser : des becquerels ne se comparent pas sans nuances : le radon a une période radioactive de quatre jours, c'est un gaz inerte, il est émis sur toute la surface des continents, à l'intérieur des habitations, ... alors que les innombrables becquerels de Tchernobyl ont été émis en une dizaine de jours par un cratère de quelques dizaines de mètres carrés et ont le plus intensément affecté quelques milliers de km2 en Ukraine et en Biélorussie.

Tableau VI.1. Bilans des émissions de substances radioactives dans l’atmosphère depuis 1945

Tableau VI.1. Bilans des émissions de substances radioactives dans l’atmosphère depuis 1945

38Le tableau VI.2. résume la situation pour ce qui concerne les doses moyennes auxquelles sont exposés les Européens. La variabilité est large : c’est ce que suggère la troisième colonne du tableau.

Tableau VI.2. Doses annuelles moyennes auxquelles sont exposés les Européens

Tableau VI.2. Doses annuelles moyennes auxquelles sont exposés les Européens
  • 7 Les doses reçues après Tchernobyl s’établissaient comme suit pour quelques pays (en mSv) : Est de (...)

39Note 77

40Une fois de plus, il convient de relativiser les données. Les doses auxquelles nous sommes naturellement soumis ne sont pas exagérément nocives, sinon la nature n'aurait jamais pu atteindre l'exubérance qu'elle manifeste. Et si notre technologie augmente quelque peu les doses de radioactivité auxquelles nous sommes accoutumés (à notre insu !), le problème se réduit à examiner si cet accroissement est significatif en comparaison du niveau naturel. On remarquera aussi que les doses naturelles l'emportent nettement sur les doses délivrées par des sources artificielles (30 % du total) et encore, dans les doses artificielles, les radiations délivrées dans un but médical prennent-elles la part la plus importante. La décision de soumettre un patient à des rayonnements ionisants (RX, radiothérapie, radiodiagnostic) relève donc de l'éthique médicale qui met en balance le risque couru par le patient et le bénéfice sanitaire qu'il peut espérer en retirer : ce dernier aspect l’emporte généralement !

3. Les effets biologiques des radiations ionisantes

41A l’instar de toute agression à laquelle peut être soumis le corps humain (toxiques divers, agressions physiques, thermiques, …), les effets sur la santé que peuvent exercer les rayonnements ionisants diffèrent suivant le débit de dose et la manière dont ils sont administrés :

  • par irradiation externe : les radionucléides irradiant de l'extérieur du corps, il est aisé de réduire l'exposition en s'éloignant de la source de radiations (évacuation des lieux contaminés) ou en nettoyant les surfaces contaminées (décontamination de la peau, des vêtements, des habitations, ...) ;
  • ce peut être par irradiation interne, suite à une contamination par inhalation ou par ingestion de substances radioactives. Une décontamination concertée est à ce moment difficile, voire impossible et on doit attendre que ces substances s'éliminent par voie biologique ou disparaissent par décroissance radioactive. La contamination de l'organisme par des radionucléides à longue durée de vie doit être prise en compte pour déterminer la dose totale qui sera délivrée durant les années qui suivent l'absorption. On parle ainsi de « dose engagée ».

42Les rayonnements ionisants sont nocifs parce qu’ils s’attaquent à l’ADN des cellules et perturbent ainsi leur potentiel de division c’est à dire, en fin de compte, la multiplication cellulaire. Au-delà d’une certaine dose seuil, se manifestent des dommages dits aigus, légèrement différés, qui résultent de la non régénération des tissus : cette action est similaire à celle induite par un « coup de soleil ». On comprend ainsi que les tissus les plus sensibles sont précisément ceux qui sont destinés à se régénérer à un rythme élevé et, particulièrement, la moelle osseuse qui produit les globules rouges, la muqueuse qui tapisse les parois internes de l’intestin, les gonades mâles, le derme, … Les effets aigus ainsi exercés sont appelés « déterministes » parce qu’ils sont systématiques, prévisibles et généralisés : ils se manifestent suites à des doses supérieures à 0,2 Sv (200 mSv) administrées sous débit élevé. De telles doses ne risquent d’être reçues que lors d’accidents graves.

43Des doses faibles et élevées (mais sub-létales) peuvent se traduire par des effets dits « aléatoires ou probabilistes ». Et on entre là dans le domaine sans doute le plus controversé de la radioprotection car, en réalité, les effets aléatoires des rayonnements ionisants sont le fruit du hasard et peuvent donc prêter à des interprétations fort divergentes suivant le sentiment que l’on peut ressentir face à un risque potentiel et à son acceptabilité. Les effets probabilistes sont aussi ceux qui, sans doute, font le plus peur : il s’agit de l’induction de cancers et d’effets génétiques. Examinons, par ordre décroissant de gravité, quelles sont les conséquences d'une exposition aux rayonnements ionisants.

3.1. Effets déterministes

44- Doses supérieures à 5 -6 Sv à tout le corps, en absence de traitement médical : la mort s'ensuit dans un délai de quelques jours à quelques semaines (6 Sv = DL50 : dose létale pour 50 % des individus). Elle est surtout la conséquence de la destruction des cellules de la paroi interne de l'intestin et de la moelle osseuse. Remarquons au passage qu’une dose de 6 Sv correspond à une énergie thermique très faible. En effet, 1 Sv de rayonnements signifie le transfert d'une énergie de 1 joule par kg de matière irradiée. Or 1 joule délivré à 1 kg d'eau élève sa température de 0,24 millième de degré. Ainsi donc, une dose de rayonnements mortelle de 6 Sv aboutit-elle à une élévation de la température du corps d'à peu près 1,2 millième de degré ! C'est une énergie globalement minime, mais très perturbante pour les structures moléculaires et donc fortement agressive pour les molécules biologiques.

45- Doses comprises entre quelques dixièmes de Sv et quelques Sv. Ici encore, les rayonnements attaquent les tissus les plus sensibles du corps : pour les doses les plus élevées (3 Sv), des traces de brûlures apparaissent sur la peau, il y a perte des cheveux, perte temporaire de fertilité, appauvrissement du sang en globules rouges (2 Sv), nausées, vomissements (1 Sv), diminution légère de certains globules blancs (0,3 Sv), ... Beaucoup de ces affections qui apparaissent dans les jours qui suivent l'irradiation sont réversibles et la guérison est la règle.

3.2. Effets aléatoires ou stochastiques

46Pour les doses comprises entre zéro et quelques sieverts, doses sub-létales faibles et moyennes, existent des effets aléatoires différés : il s'agit de l'induction de cancers et de l'apparition d'effets génétiques. C’est un sujet qui prête à bon nombre d'interprétations abusives parce que, sans doute, mal interprétées. A l’instar de tout phénomène aléatoire, l’effet des faibles doses de rayonnements ne peut être déterminé de manière statistiquement fiable que sur un grand nombre de personnes (épidémiologie). Lorsque toute une population est soumise à une irradiation par des rayonnements ionisants, certains individus de cette population vont, dans un délai de quelques années, développer un cancer : le plus souvent, ce pourra être une leucémie ou bien un cancer du sein, du système digestif, de la thyroïde, de la peau ou du squelette. La majorité des personnes irradiées échapperont au mal : développer un cancer après une irradiation, c'est le résultat d’une loterie malheureuse dont un petit nombre seulement d’irradiés auront tiré le mauvais billet.

47Ces cancers ne se développent qu'après une période d'induction, variable, de deux à six ans pour les leucémies, de sept à dix ans et plus pour les autres formes. C'est d'ailleurs vrai pour tous les cancers : une personne qui vient de commencer à fumer ne se verra pas atteinte du jour au lendemain d'un cancer du poumon attribuable à la cigarette. C'est d'ailleurs ce délai d’apparition des tumeurs qui rend tellement difficile l'établissement d'un lien de cause à effet entre la maladie et ce qui l'a déclenchée. C'est malheureusement aussi une des raisons de l'incrédulité ou de l'inconscience de beaucoup face aux risques de cancérogenèse associés à certaines habitudes (tabagie, alcool, alimentation, ...).

  • 8 De ces cancers « naturels » 30 % sont attribuables à l'usage du tabac, 35 % aux habitudes alimenta (...)

48Les observations effectuées sur de nombreux cas d'irradiations accidentelles ou professionnelles ont permis de conclure, avec une bonne certitude, que l'on peut s'attendre, statistiquement parlant, à l'apparition de 5 cancers supplémentaires dans une population (tous âges confondus) de 100 personnes irradiées à raison de 1 Sv. Ces cancers supplémentaires apparaîtront durant la durée de vie des personnes irradiées et s’additionneront donc aux 23 à 25 cas de cancers « naturels » qui affecteront de toute façon cette population8. Faute de pouvoir le démontrer avec suffisamment de rigueur, on pose en outre que la relation est linéaire entre le taux d’occurrence des cancers supplémentaires et la dose, si faible soit-elle. En d’autres termes, on suppose qu’il n’existe pas de dose seuil, c’est à dire, de dose en dessous de laquelle aucun effet n’est décelable. Cette convention, qui relève d’un excès de prudence tout à fait louable, est par ailleurs contestable car la preuve existe de l’innocuité des doses faibles étant donné l’existence de mécanismes biologiques de réparation des dommages subis par l’ADN.

49Un Sv est une dose élevée : la catastrophe de Tchernobyl, pour prendre un accident récent, a soumis les populations les plus exposées à des doses de l’ordre de quelques dizaines à quelques centaines de mSv, au plus (1 mSv = 10-3 Sv). Imaginons donc un groupe de 1.000 Ukrainiens (tous âges confondus) qui auraient tous encaissé une dose de 100 mSv : suivant la relation énoncée ci-dessus, on pourrait donc s’attendre à ce que, dans quelques dizaines d’années, lorsque tous (100 %) les membres du groupe seront morts, de tous les décès enregistrés, 255 auront été dus à des cancers, au lieu des 250 qui auraient été observés s’il n’y avait pas eu cet accident. Autrement dit, la différence est faible et, sur un plan statistique, le surplus de 5 décès risque de passer inaperçu car les fluctuations de l’incidence naturelle sont elles-mêmes relativement larges et susceptibles d’évoluer dans le temps. Mais il faut surtout insister sur le fait que le calcul sur lequel se base cette estimation, toute théorique, ne tient pas compte des réparations qui s’opèrent sur l’ADN irradié aux faibles doses !

  • 9 Un collègue biologiste ukrainien a passé quinze ans de sa vie à étudier les effets de l’accident d (...)
  • 10 Contrairement à l’opinion que l’on se fait des « anomalies génétiques », la plupart d’entre elles (...)

50L'exposition aux rayonnements ionisants accroît aussi le risque de mutations génétiques. Relevons tout d'abord que, chez l'être humain et, plus généralement, chez les mammifères, aucun effet génétique n'a jamais pu être imputé à une irradiation accidentelle ou professionnelle9. Ceci est attribuable au fait que les dommages induits dans le bagage génétique se traduisent le plus souvent par la réparation des dégâts chromosomiques ou par la mort des cellules reproductrices ou encore par la mort des embryons. Les fortes doses de radiation se manifestent donc par une baisse de la fertilité plutôt que par des dommages génétiques. Le risque lié aux radiations doit s'estimer par extension à l'être humain d'expériences réalisées sur des espèces moins sensibles aux radiations que les mammifères. Cette estimation amène donc à prévoir 3 à 4 anomalies génétiques par millier de naissances et par sievert administré aux parents. Et encore une fois, ce chiffre doit-il être comparé à l'incidence naturelle qui est de 107 anomalies par millier de naissances10.

51Mettons bien les choses au point : quand on prévoit que tel accident nucléaire risque de déclencher un certain nombre de milliers de cancers dans une population, il est bien entendu que ces prédictions découlent d'estimations résultant de calculs basés sur les chiffres cités ci-dessus et que, exception faite d’irradiations graves affectant un grand nombre de personnes, ces cancers surnuméraires, en très faible nombre, ne pourront pas être distingués de la masse des cancers naturels. Etant donné les doses nécessaires pour induire un accroissement significatif des cancers ou des mutations génétiques, il est bien évident que ce n'est pas la radioactivité « normale » qu'il faut incriminer. On ne saurait non plus évoquer la centaine de µSv (au plus) que l'accident de Tchernobyl nous a administrée en Europe pour expliquer les cancers dont nous risquons de souffrir dans les années à venir.

52Résumons donc la situation pour ce qui concerne les risques associés aux radiations.

  • Doses supérieures à 5-6 Sv, en absence de secours médical : la mort pour la majorité des irradiés, dans un délai de quelques jours ou semaines.
  • Doses de 0,2 à quelques Sv : effets aigus tels que réduction du nombre de globules rouges, attaque des tissus (« brûlures »), rougeurs de la peau, perte de cheveux, baisse de fertilité :
  • dans un délai de quelques jours,
  • la gravité de ces atteintes augmente avec la dose,
  • toutes les personnes irradiées en sont victimes,
  • il y a guérison (avec séquelles éventuelles).
  • Doses de 0 à quelques Sv : effets stochastiques, c'est-à-dire induction de cancers et de mutations ( ?) :
  • effets qui ne se manifestent qu'après un délai de plusieurs années,
  • effets aléatoires : seuls certains irradiés en souffrent,
  • la gravité du mal est indépendante de la dose (un cancer, c’est toujours un cancer !),
  • le nombre de cas augmente avec la dose.

LA PRODUCTION D’ENERGIE NUCLEAIRE

53Il est hors de propos d’entamer ici une description exhaustive des techniques de production de l’énergie nucléaire : on se limitera à en souligner les possibilités et les limitations. On tentera aussi de mettre quelque peu d’ordre dans le fouillis des dénigrements systématiques dont elle a été l’objet.

54La fission nucléaire a été identifiée en 1938 par Otto Hahn et Fritz Strassmann et, en 1939, l’équipe de Frédéric Joliot montrait qu’il est possible d’entretenir une réaction en chaîne pour produire de l’énergie thermique à partir d’uranium. En décembre 1942, Fermi réalisait le premier réacteur à fission contrôlée et, le 6 août 1945, une bombe à uranium ravageait Hiroshima ; deux jours plus tard, c’était une bombe au plutonium qui décimait la population de Nagasaki. L’aventure du nucléaire avait démarré à un rythme hallucinant, soutenue par un effort extraordinaire de la technologie américaine. Jamais, une technique aussi complexe n’avait été mise au point en un laps de temps aussi bref. Mais voilà, soixante ans après la découverte de Hahn et Strassmann, l’énergie nucléaire est sérieusement remise en question au point que beaucoup doutent qu’elle puisse encore être mise à contribution d’ici quelques décennies. Nous verrons ce qu’il faut penser de ce désistement qui risque de coûter fort cher à la société humaine dans son ensemble.

1. La fission nucléaire

55Les atomes les plus lourds de tous ceux que l’on puisse retrouver dans la croûte terrestre sont l’uranium (92U) et le thorium (90Th). Les noyaux de ces atomes sont aussi les plus volumineux : à l’instar d’une goutte d’eau trop grosse, ils sont instables et susceptibles de se casser en deux fragments, de subir ainsi la « fission », surtout lorsqu’ils sont bombardés par des neutrons qui les font littéralement éclater. Cette fission s’accompagne d’un énorme dégagement d’énergie (à l’échelle de l’atome) avec l’émission simultanée de deux à trois neutrons. L’uranium de masse 235 est particulièrement susceptible de fissionner : il n’entre cependant qu’à raison de 0,72 % dans la composition isotopique de l’uranium naturel. Le schéma ci-dessous représente le phénomène de fission induite par un neutron.

Schéma de la fission de U-235

56Dans la majorité des cas, la fission est dite dissymétrique pour la simple raison qu’elle produit deux fragments nucléaires (produits de fission : PF) de masses différentes : l’un des fragments fait environ 140 unités de masse tandis que le deuxième en fait environ 95. En schéma condensé, on écrira :

n + 235U → 95X + 140Y + 2,5 n + 220MeV

57Ce processus de fission dégage une énergie très élevée qui se manifeste surtout sous forme d’énergie cinétique des noyaux de fission et des neutrons émis, ainsi que par différents rayonnements nucléaires, éventuellement différés (radioactivité des PF). C’est précisément cette énergie des fragments et des neutrons qui est majoritairement récupérée sous forme thermique et valorisée dans les réacteurs nucléaires. En revanche, l’émission différée d’énergie sous forme de rayonnements est responsable de l’énorme puissance thermique qui continue à se dégager du combustible nucléaire après l’arrêt d’un réacteur et donc dans le combustible usagé. Il faut savoir :

  • que les fragments de fission sont instables parce qu’ils contiennent trop de neutrons11 : en d’autres termes, ils sont radioactifs, et vont se stabiliser surtout par émission de rayon β et γ ;
  • que le neutron qui induit la fission est d’autant plus efficace que sa vitesse est faible, de l’ordre de celle qu’il possèderait à la température ambiante (neutron « thermique »),
  • en revanche, les neutrons expulsés par la fission possèdent une énergie telle que leur vitesse est de l’ordre de grandeur de celle de la lumière : ils sont très peu efficaces pour induire la fission de 235U.

58Très vite, dans les mois qui suivirent la découverte du phénomène de fission, les savants atomistes réalisèrent qu’il devait être possible de mettre à profit l’émission des neutrons de fission pour poursuivre la fission dans d’autres noyaux en un processus appelé « réaction en chaîne ». L’idée est donc née de réaliser un réacteur nucléaire, dans lequel on accumulerait suffisamment d’uranium naturel (contenant 0,72 % de 235U) de sorte que, des 2 à 3 neutrons (n) émis lors d’une fission, un seul ait la probabilité de rencontrer un nouveau noyau pour y induire, à son tour, une nouvelle fission (stade de « criticité ») ; les autres neutrons (1,5 n en moyenne) doivent se perdre dans les matériaux du réacteur. Le schéma ci-dessous représente ce processus dit « en chaîne linéaire » dans lequel le taux de fissions (et donc la production d’énergie) est stable :

59L’élaboration de ce réacteur à fission reposait donc sur l’accumulation d’une quantité d’uranium naturel telle que la probabilité de fission serait suffisante pour rendre la masse critique. En revanche, dans le cas d’une bombe nucléaire, la réaction se déroule en chaînes « ramifiées » : un maximum de neutrons de fission doivent induire les fissions dans le matériau fissile, de telle manière que la réaction prenne une allure explosive. A ce moment, il faut utiliser un isotope fissile à plus de 90 % de pureté, ce qui implique, dans le cas de l’uranium, des opérations de séparation par diffusion gazeuse, extrêmement coûteuses.

2. Le fonctionnement du réacteur nucléaire

60Les 1,5 neutrons excédentaires sont, soit absorbés par les matériaux du réacteur, soit ils s’en échappent. L’enchaînement des fissions ne sera stable qu’à la condition que ce bilan neutronique soit strictement respecté : pour chaque fission se déroulant dans le réacteur, un neutron, et un seul, doit être amené à induire une fission dans un autre noyau atomique. Si, en moyenne, moins d’un neutron est disponible pour poursuivre la fission, le taux de « renouvellement » des fissions diminue et le réacteur s’arrête. Si, à l’inverse, plus d’un neutron sont susceptibles de propager la fission en pénétrant dans des noyaux de 235U, alors le taux des fissions s’amplifie et le réacteur « s’emballe » : il devient instable. Il s’agit donc d’un bilan très strict. Une des difficultés majeures rencontrée dans la réalisation des premiers réacteurs nucléaires était de n’y rassembler que des matériaux ultra purs, à très faible pouvoir d’absorption des neutrons. C’est un défit qu’a pu relever l’industrie chimique américaine dans les années quarante.

2.1. Le modérateur

61La probabilité d’induire une fission dans un noyau lourd est bien meilleure si le neutron qui la déclenche est animé d’une vitesse faible, proche de celle qu’il possède à la température ambiante. Cette particularité a été mise en évidence par Enrico Fermi à Rome, dès 1935, à une époque où la fission n’avait pas encore été mise en évidence ni, a fortiori, expliquée. Il faut donc ralentir (« modérer ») les neutrons entre le moment où ils sont émis par la fission et le moment où ils vont pouvoir, à leur tour, induire une nouvelle fission dans un autre noyau. Pour freiner efficacement les neutrons, de masse unitaire, il convient de placer, sur leur trajet, une substance contenant des atomes de masse proche de l’unité et qui, en outre, ne risque pas de les absorber trop. Ce principe a été appliqué par Fermi lui-même qui a conçu le premier réacteur nucléaire, modéré par du graphite, capable d’entretenir une réaction en chaîne stable. C’était en décembre 1942, sous les gradins du stade de football de Stag Field à Chicago. Pour représenter cette adaptation de la fission dans un réacteur stable, il suffit de reprendre le schéma précédent en y insérant le modérateur :

62Les raisons qui ont amené Fermi à utiliser du graphite comme modérateur tenaient en ce qu’il s’agit d’un élément léger qui n’absorbe que très peu les neutrons et qu’il était possible d’obtenir dans un état de très haute pureté. Ce premier réacteur était donc constitué d’un empilement de blocs de graphite alternant avec des barreaux d’uranium naturel à 0,72 % de 235U. Des barres de contrôle faites d’un puissant absorbeur de neutrons (du cadmium) servaient à régler leur flux au sein de l’empilement.

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  • 13 Ce qui explique l’intérêt porté par les belligérants de la 2e Guerre Mondiale pour l’eau lourde pr (...)

63Il faut en outre prévoir un fluide capable d’évacuer l’énergie thermique dégagée par la fission. Dans les réacteurs les plus répandus actuellement et pour des raisons d’économie, l’eau est utilisée, sous une pression de 150 bars, à la fois comme agent « caloporteur » et comme modérateur … tout au moins joue-t-elle ce rôle grâce à l’hydrogène qu’elle contient : avec la pénalisation que cet hydrogène constitue un léger « poison » pour les neutrons puisqu’il est capable d’en absorber pour devenir deutérium (1H + n → 2H). Ces réacteurs requièrent donc de travailler avec de l’uranium enrichi en 235U afin de compenser l’absorption parasite provoquée par l’hydrogène et maintenir ainsi le bilan neutronique à un niveau satisfaisant12. D’autres types de réacteurs (p.ex. CANDU), par ailleurs peu répandus, utilisent l’eau « lourde » comme modérateur. Celle-ci est constituée d’oxyde de deutérium (hydrogène lourd, dont le noyau contient un proton et un neutron) qui absorbe très peu les neutrons13.

2.2. Structure d’un réacteur à eau sous pression

64Le schéma ci-dessous présente les principaux éléments d’un réacteur nucléaire avec les structures annexes destinées à la production d’électricité, à savoir le générateur de vapeur, la turbine à vapeur et le système de condensation de la vapeur qui peut être un condenseur atmosphérique ou un système de refroidissement alimenté par l’eau d’un fleuve. On insistera sur les points suivants qui, directement ou indirectement, renforcent la sécurité de l’installation :

  • Le combustible nucléaire est de l’oxyde d’uranium (UO2), forme chimiquement très stable, enrichi à 3,5 % en 235U dans le combustible de départ. Au fur et à mesure de l’épuisement de combustible (« burn-up »), la teneur descend jusqu’au seuil de 2,2 % à partir duquel il doit être renouvelé. Le combustible est préparé sous forme de pastilles de 8 mm de largeur sur 15 mm de longueur, alignées dans des gaines en alliage de zirconium de huit mètres de longueur. Un total de 90 tonnes d’uranium sont présentes dans le réacteur : un tiers de cette charge est renouvelée annuellement, ce qui signifie que l’uranium séjourne dans le réacteur pendant trois ans.
  • L’eau de refroidissement qui est en même temps le modérateur est présente dans la cuve sous une pression de 15 MPa (150 kg/cm2) qui la maintient à l’état liquide (dans ce circuit dit « primaire ») sous une température de 320°C, température de travail du réacteur. Le combustible nucléaire est ainsi immergé en permanence, ce qui stabilise le réacteur, que ce soit du point de vue du refroidissement ou du point de vue de la modération par les neutrons14.
  • Dans cet état de haute pression, l’eau liquide du circuit primaire passe dans le générateur de vapeur où elle transfère son énergie thermique à l’eau d’un circuit secondaire qui, elle, est portée à l’ébullition. La séparation en ces deux circuits évite la mise en contact de l’eau radioactive du circuit primaire avec les turbines à vapeur.
  • Un troisième circuit d’eau (celle d’un fleuve, p.ex.) assure la condensation de l’eau du circuit secondaire à la sortie de la turbine.
  • Les barres de contrôle sont faites d’un matériau absorbeur de neutrons : elles sont maintenues suspendues au-dessus du cœur du réacteur. En cas d’incident, en 2 à 3 secondes, elles tombent entre les barreaux de combustible et arrêtent le processus de fission.

2.3. Coûts et rendements : comparaisons

65Le rendement thermodynamique d’un réacteur nucléaire n’est pas très favorable étant donné que, pour les raisons de sécurité énoncées ci-dessus, un circuit caloporteur intermédiaire est ajouté entre le circuit primaire qui refroidit le réacteur et la chaudière productrice de chaleur. Ce rendement est de l’ordre de 32-33 % alors qu’une centrale au charbon atteint 40 à 45 % tout au moins en ce qui concerne les unités les plus avancées. En matière de rendement de production d’électricité, la palme est actuellement remportée par les unités qui conjuguent une turbine à gaz et une turbine à vapeur (cycles combinés : unités « TGV ») : il s’agit d’un montage en cascade qui consiste à faire fonctionner la turbine à gaz à une température de l’ordre de 1250° C avec un rendement de 35 à 40 %. Les gaz sortent de cette première turbine à une température de 560-640°C. Leur énergie thermique résiduaire sert alors à produire la vapeur qui va alimenter la deuxième turbine. Le rendement de cette cascade peut atteindre 55-58 %. Ce serait une solution idéale pour produire de l’électricité, n’était sa grande sensibilité au prix du gaz naturel. Ces TGV pourront évidemment, dans une avenir proche, fonctionner grâce aux gaz de synthèse : il s’agirait là d’une valorisation énergétique intéressante pour la biomasse.

66En ce qui concerne les coûts de construction de ces centrales « classiques », l’investissement, par kW installé se situe autour de

671200 € pour une centrale au charbon,

681700 € pour une centrale nucléaire,

69500 € pour une centrale à TGV.

70Alors que la construction d’une éolienne installée sur une côte bien ventilée, cas le plus favorable, demande un investissement de l’ordre de 1 000 €/kW. Mais il faut nuancer car cette éolienne ne produira de l’électricité que pendant 30 % du temps. En temps voulu, nous présenterons les prix de revient de l’électricité fournie par les différentes sources actuellement développées en Europe.

3. Les risques d’accident

  • 15 Cette énergie potentielle est normalement délivrée en trois ans de fonctionnement. Elle est à comp (...)

71Il s’agit là, bien sûr, de l’un des points sensibles des réacteurs nucléaires. La menace qu’ils font peser tient en ce qu’un réacteur stocke en permanence, dans sa cuve, l’énergie potentielle présente dans 90 tonnes d’uranium enrichi, c’est à dire une énergie de l’ordre de 768 1015 J15. Faut-il rappeler que, à masse égale, il y a environ 100 millions de fois plus d’énergie dans l’uranium que dans les produits pétroliers. Bien entendu, dans le réacteur nucléaire, cette énergie n’est pas celle d’un explosif : elle ne peut se manifester sous forme thermique que si un flux neutronique adéquat est entretenu au sein du réacteur. Ce flux ne peut donc dépasser le seuil de criticité, sous peine de voir s’amplifier, de manière catastrophique, le nombre de fissions … C’est là qu’interviennent les mesures prises dans la mise au point des réacteurs, mesures qui doivent garantir que, en aucune manière, l’énergie potentielle du combustible ne puisse se dégager de façon incontrôlée. En d’autres termes, le réacteur doit être conçu de manière à rester stable, quels que soient les incidents qui peuvent survenir lors de son fonctionnement : on parle ainsi de « sécurité intrinsèque ».

3.1. Le cas des réacteurs à eau pressurisée

72En cas d’incident sérieux, la première mesure de sécurité consiste à faire tomber les barres de contrôle dans le cœur du réacteur afin d’absorber les neutrons et stopper ainsi les réactions de fission. Cette opération se déroule automatiquement : elle dure de 2 à 3 secondes, nous l’avons dit. Le refroidissement du cœur du réacteur doit alors impérativement se poursuivre étant donné que le dégagement d’énergie thermique se prolonge (radioactivité des produits de fission), même après l’arrêt du réacteur. L’accident le plus grave qui puisse survenir à un cœur de réacteur est la perte du fluide de refroidissement (par rupture de canalisations du circuit primaire) ou même, plus simplement, par arrêt de la circulation de ce fluide (panne de pompes). En raison de ce dernier risque, des circuits de secours sont prévus qui doivent suppléer à une avarie éventuelle du circuit primaire. En cas de rupture avec perte du fluide (« Loss Of Coolant Accident » LOCA), des systèmes d’injection d’eau doivent assurer l’évacuation de l’énergie thermique qui continue à se dégager du combustible. Remarquons ici que, dans le cas des réacteurs à eau, la perte de ce fluide caloporteur (qui est aussi le modérateur) entraîne automatiquement une chute de la réactivité de l’ensemble du cœur. De tels réacteurs sont donc intrinsèquement stables, quels que soient les schémas de l’accident.

3.2. Le cas du réacteur de Tchernobyl

73Bon nombre de réacteurs civils soviétiques ont été conçus pour produire du plutonium à usage militaire. C’est un choix politique que l’Occident a refusé car de tels réacteurs sont beaucoup moins « sécurisables ». Des différences notables caractérisent ces réacteurs par comparaison avec les REP (réacteurs à eau sous pression) occidentaux. Le plutonium (94Pu) est un élément purement artificiel, mises à part les traces minimes détectées dans un réacteur naturel découvert en 1972 à Oklo, au Gabon. Le plutonium existe sous les isotopes de masse 239, 240, 241 et 242. Ces isotopes se forment progressivement (et successivement) dans des réacteurs à uranium suite à la capture de neutrons par 238U. Pour simplifier, nous écrirons :

  • 16 C’est en ce sens qu’on parle de « bombes sales » : leur rendement explosif est relativement faible (...)

74Pour des raisons trop longues à détailler, il faut savoir que sont aisément fissiles les isotopes de masse atomique impaire et de numéro atomique pair : c’est le cas, bien sûr, de 235U (naturel) utilisé dans les réacteurs mais aussi de 239Pu et de 241Pu. Les isotopes du plutonium s’accumulent donc progressivement dans un réacteur fonctionnant à l’uranium, au fur et à mesure de la transmutation de 238U. Le problème est que, si 239Pu (fissile) se forme en premier lieu, il est à son tour progressivement transformé en 240Pu (non fissile), qui va donc contaminer l’isotope primaire fissile en le diluant. Et si cette dilution s’accroît, 239Pu deviendra inutilisable pour la confection de bombes « efficaces ».16 Le combustible d’un réacteur « plutonigène » doit donc être fréquemment recyclé et, puisqu’il est impensable d’arrêter le réacteur à chaque opération de recharge, il faut prévoir un accès aisé à chacun des barreaux de combustible, sans qu’il soit nécessaire d’altérer le fonctionnement du réacteur. Cette opération s’effectue par le sommet du cœur. A l’opposé de ce qui se fait dans les réacteurs à eau sous pression (REP), elle impos :

  • que chaque barreau de combustible soit refroidi par un circuit indépendant (de manière à ce qu’on puisse l’isoler lors du remplacement), ce qui complique et fragilise la structure des circuits de refroidissement,
  • que le sommet du réacteur soit accessible, ce qui empêche un accès vertical direct aux barres de contrôle qui ne peuvent alors tomber librement dans le cœur en cas d’incident,
  • ce qui interdit aussi d’enfermer le cœur du réacteur dans une cuve de structure massive et homogène comme dans le cas des REP.
  • 17 Rappelons que, au contraire du carbone, l’hydrogène de l’eau est un absorbeur de neutrons.

75En outre, les Soviétiques ont opté pour un modérateur en graphite, à eau bouillante, du type LWGR (Light Water Graphite Reactor) qui, étant donné le faible potentiel d’absorption neutronique du graphite, permettait d’utiliser un uranium faiblement enrichi (à 2 % de 235U), solution évidemment plus économique17 que le REP alimenté par de l’uranium enrichi à 3,5 %. Ce choix décidait aussi de la dernière et, sans doute, de la plus importante des faiblesses du LWGR. En effet, une diminution brutale, accidentelle, du niveau d’eau dans le réacteur, a pour conséquence d’éliminer un facteur d’absorption parasite des neutrons (l’hydrogène de l’eau) sans altérer le potentiel du modérateur (le graphite). Il en résulte un emballement du réacteur, à l’opposé de ce qui se passerait dans un REP qui serait soumis à des circonstances accidentelles similaires (élimination de l’eau qui est le modérateur). On ne peut décidément récuser les REP sous le seul argument de la catastrophe de Tchernobyl !

4. Le problème des déchets nucléaires

76On comprend aisément que l’opinion publique s’inquiète du problème des déchets résultant de l’exploitation de l’énergie nucléaire. Encore une fois, cette inquiétude particulière portée sur le nucléaire résulte sans doute de ce qu’il revêt cette aura de mystère qui lui restera sans doute à jamais attachée. Et pourtant, on ne peut nier que, en deux siècles, notre technologie ait produit, littéralement, des montagnes de déchets les plus divers, abandonnés un peu partout. Il suffit, pour s’en convaincre de parcourir les friches industrielles qui parsèment encore bon nombre de régions d’Europe : contamination par les métaux lourds, les hydrocarbures, les solvants, terrils, scories diverses, produits organiques toxiques, … La liste en est inépuisable et les sites contaminés foisonnent, en surface, plus ou moins discrètement masqués par une végétation envahissante. Pourquoi, dès lors, les déchets radioactifs sont-ils l’objet d’une telle inquiétude ?

77Il faut tout d’abord dissocier le problème des déchets de faible et moyenne activité (déchets de laboratoires, de diagnostic médical, …) de celui des déchets de haute et très haute activité, en particulier, les produits de fission résultant du fonctionnement des réacteurs qui, eux, sont source d’énergie thermique. Les déchets de faible et moyenne activité posent les problèmes (1) du confinement qui doit éviter qu’ils ne se dispersent dans l’environnement et (2) du blindage qui doit éviter que des radiations n’émergent du site de stockage. Il est vraiment facile de satisfaire à de telles exigences. En revanche, les déchets issus du combustible nucléaire dégagent une radioactivité extrêmement élevée, susceptible de délivrer, en peu de temps, des doses mortelles si, par accident, ils devaient se répandre dans l’environnement. Ce risque est fort peu élevé, mais exige cependant des mesures de confinement extrêmement rigoureuses : en particulier, les sites de stockage à long terme doivent être souterrains. Il faut en outre souligner que le principal problème technique posé par ces déchets, ce n’est pas tant la radioactivité que la puissance thermique qu’ils continuent à dégager. Les conditions de stockage en deviennent particulièrement ardues.

78Il n’est pas question ici d’épuiser le sujet des déchets nucléaires, il est trop vaste. Mais il faut insister sur le fait que se protéger des radiations émises par les déchets de haute activité (et, a fortiori, par ceux de faible et moyenne activité) est chose simple : il suffit de les stocker dans des sites géologiques profonds, stables, compacts, imperméables aux infiltrations d’eau. La radioactivité ainsi ensevelie, à bonne profondeur, sera inférieure à celle, naturelle, qui persiste depuis des milliards d’années dans les couches géologiques sus-jacentes. Le problème majeur à résoudre, et il est de taille, c’est l’évacuation de l’énergie thermique que ces déchets vont émettre, pendant des décennies, sous un flux significativement supérieur à celui de la croûte terrestre. Ce flux, en synergie avec les effets radiatifs, risque fort d’altérer les conteneurs, les roches d’accueil, voire même le site dans son ensemble. On comprend que les producteurs de déchets de très haute activité préfèrent les conserver provisoirement dans des piscines ou des cuves de stockage parfaitement refroidies : le temps et la décroissance radioactive des déchets jouent en leur faveur en réduisant leur puissance thermique. Des sites de stockage sont exploités depuis près d’un demi-siècle ; on connaît leurs possibilités et leurs limites. Il n’en reste pas moins vrai que des recherches s’imposent encore en vue d’améliorer la sûreté et l’étanchéité des gisements. Il faut poursuivre l’étude de ce problème : il n’est pas insurmontable. Et il ne peut, en aucune manière, constituer un argument pour rejeter l’option nucléaire qui reste indubitablement un atout majeur comme source d’énergie « propre » dans les décennies à venir.

79Une catégorie de déchets pose un problème particulier : il s’agit de certains isotopes d’éléments transuraniens dont la demi-vie radioactive est souvent très élevée, de l’ordre de milliers d’années. Cette particularité pose évidemment un problème éthique sérieux puisque, à l’instar de nos émissions de gaz à effet de serre, il s’agit, là aussi, d’un héritage indésirable que nous abandonnons aux générations futures. Une alternative au stockage est actuellement prise très sérieusement en considération : il s’agirait, après séparation, de traiter les éléments transuraniens de manière à les transformer, par fission, en des radio-isotopes de courte période. Pour ce faire, on pourrait mettre en œuvre des accélérateurs de particules (cyclotrons), voire même des réacteurs neutroniques qui récupèreraient alors la chaleur dégagée par ces réactions. Le coût de l’entreprise sera évidemment à la mesure de l’enjeu : mais il est abordable.

5. Les réacteurs nucléaires à venir

80Dans ce domaine encore, il est impensable que nous nous engagions au-delà de quelques brèves considérations, l’essentiel n’étant pas de proposer des visions futuristes mais bien de fixer des bases de réflexion. Deux perspectives s’ouvrent dans le domaine des réacteurs nucléaires : les réacteurs de fission à très haute sécurité et les réacteurs de fusion.

5.1. Les réacteurs à fission de l’avenir

81De nombreux projets ont été élaborés dans le monde qui visent le développement de réacteurs de (très) haute sécurité. Il s’agit en fait de REP classiques mais où des mesures de sécurité accrues, redondantes, garantissent une fiabilité presque absolue (le risque zéro n’existe pas !). Ces réacteurs, en outre, produisent un minimum de déchets et offrent un facteur de disponibilité idéal. D’autres types de réacteurs utilisent une source externe de neutrons pour déclencher et entretenir le processus de fission en chaîne. Le combustible lui-même reste ainsi en permanence à l’état de sous-criticité. Tout incident ne peut donc que stopper le flux de neutrons vers le réacteur et donc arrêter le processus de fission.

5.2. Les surgénérateurs constituent un potentiel extraordinaire mais dangereux

82Les réacteurs à neutrons modérés induisent la fission de 235U, mais également d’une fraction de 238U (1 à 2 %) et également de 239Pu qui, rappelons-le, se forme progressivement suite à l’absorption de neutrons par 238U. Cette propriété de 238U est mise à profit dans des réacteurs capables de produire plus de matière fissile qu’ils n’en consomment : il s’agit des surrégénérateurs. Les réactions nucléaires qui alimentent cette production sont, en simplifiant quelque peu :

238U + 1n → 239Pu

232Th + 1n → 233Pu

83Nous avons déjà présenté la première de ces réactions ; la deuxième offre l’avantage de transformer en matière fissile un élément naturel, le thorium dont le seul isotope naturel (232Th) n’est pas fissile. Il faut se rendre compte que ces réactions multiplient d’une façon extraordinaire les réserves potentielles d’énergie nucléaire : non seulement valorise-t-on 238U qui constitue 99 % des réserves d’uranium (alors que 235U n’y est présent qu’à raison de 0,72 %), mais encore introduit-on une nouvelle ressource, le thorium, trois fois plus abondant que l’uranium.

  • 18 On peut ici suggérer l’exemple d’une balle de ping-pong (le neutron) rebondissant sur une boule de (...)

84Ce processus de surgénération exige des réacteurs un peu particuliers : il se déroule de manière optimale si le surgénérateur est alimenté par un mélange de 238U et de 239Pu et si les neutrons ne sont pas modérés. En effet, dans de telles conditions, chaque fission engendre, en moyenne, plus de trois neutrons, ce qui est requis pour que le rendement de production des isotopes fissiles soit suffisant tout en maintenant la criticité du réacteur. Ainsi donc, le fluide caloporteur ne peut-il modérer (ralentir) excessivement les neutrons : il doit donc être constitué d’atomes lourds, en l’occurrence du sodium liquide (Na), de manière à ce que les neutrons « rebondissent » sur ces atomes sans être ralentis18. Dans ce type de réacteur, le cœur est constitué d’un mélange d’uranium et de plutonium ; il est entouré d’une enveloppe de matière « fertile », en l’occurrence 238U et, éventuellement, dans lesquels vont progressivement se former 233Pu et 239Pu que l’on extraira par la suite à intervalles réguliers.

85La sécurité de ces réacteurs a été violemment contestée : il faut savoir, en effet, que le sodium naturel devient radioactif lorsqu’il absorbe un neutron :

23Na + 1n → 24Na (période radioactive : 15 heures)

86En outre, le sodium est un élément chimiquement très réactif : en particulier, il a la propriété de réagir très énergiquement avec l’eau. On se rend dès lors compte que les surgénérateurs constituent de véritables machines infernales. Bien sûr, des systèmes de sécurité ont été étudiés et se sont révélés performants. C’est ainsi qu’un total de quatre circuits de refroidissement est exigé : un premier circuit, alimenté par le sodium radioactif, évacue l’énergie thermique du cœur du réacteur. L’énergie de ce premier circuit est transférée à un deuxième, constitué de sodium non radioactif et c’est ce dernier qui, enfin, alimente la chaudière dans laquelle de l’eau est vaporisée pour alimenter la turbine. Ce dédoublement des premiers circuits a pour but d’éviter que, suite à un accident, le sodium radioactif puisse entrer en contact avec l’eau de la chaudière. Des systèmes d’extinction de feux de sodium ont été mis au point. Il n’empêche, la machine fait peur !

87La France a acquis une solide expérience en matière de gestion des surrégénérateurs qu’elle a exploités de 1966 à 1994. Malgré tout, l’aventure est à présent clôturée. Bon nombre de scientifiques contestent l’utilité des surgénérateurs, arguant du fait que le risque est trop élevé en regard du profit énergétique que l’on peut en retirer. Cet argument est sans doute justifié en cette période où l’énergie reste pratiquement gratuite. Il pourrait être sérieusement révisé quand l’épuisement des combustibles fossiles imposera un renouveau des options énergétiques.

88L’avenir révèlera si la crise du financement qui frappe actuellement l’industrie nucléaire pourra être surmontée pour renouer avec cette aventure. Il faut se rendre compte que, entre le moment où la décision est prise de construire une centrale nucléaire classique et le jour où elle commence à produire ses GWh, plus de huit années peuvent s’écouler, alors que de petites unités fonctionnant au gaz sont construites en deux ans. Les prix de l’énergie sont actuellement trop bas, trop fluctuants pour autoriser de telles aventures financières.

5.3. Les réacteurs à fusion

  • 19 Rappelons que l’indice supérieur placé devant le symbole de l’élément donne le nombre de nucléons (...)

89En mars 1958, un article paru dans « Science et Vie » annonçait triomphalement que : « L’énergie H est domptée » et George Thomson, Prix Nobel, promettait que la première centrale mettant en œuvre la fusion thermonucléaire serait opérationnelle une quinzaine d’années plus tard. C’était sans doute quelque peu prématuré, mais l’optimisme était de mise. En 1962, nous avons eu l’occasion, avec quelques condisciples d’entendre une conférence passionnante sur les projets en cours à cette époque, projets qui concernaient le domptage de cette fusion nucléaire. C’était une approche énergétique prometteuse, dans la mesure où elle met en jeu des ressources abondantes de notre planète : du deutérium (2H) obtenu par électrolyse de l’eau et du tritium (3H) obtenu par irradiation du lithium par des neutrons19.

6Li + 1n → 4He+ 3H

90La réaction de fusion se représente par :

2H + 3H → 4He + 1n + 17,6 MeV

91avec, on le constate, production d’une énorme quantité d’énergie. Cette fusion de deux noyaux atomiques ne produit pas de déchets radioactifs : 4He n’est pas radioactif et il est chimiquement inerte. La réaction de fusion est évidemment très difficile à réaliser puisqu’elle impose d’unir par collision deux noyaux portant chacun une charge électrique positive : il faut donc vaincre la puissante répulsion électrostatique qui les tient écartés l’un de l’autre. Pour ce faire, il faut leur communiquer une énergie thermique extrêmement élevée (a) qui leur fasse perdre leur électron externe (on crée ainsi un « plasma » c’est à dire un gaz dont les molécules sont totalement ionisées) et (b) qui amène les noyaux à subir des collisions tellement violentes qu’elles arrivent à vaincre la répulsion électrostatique. Simultanément, il faut maintenir le plasma à une densité telle qu’elle maintienne la fréquence des collisions à une valeur suffisamment élevée. La théorie montre qu’il faut conserver une densité de n particules par m3 pendant un temps τ tel que le produit

n × τ soit supérieur à 1020 s/m3

92Il s’agit des conditions dites de « confinement » du plasma qui correspondent au « critère de Lawson » pour la réalisation de la fusion à 100 millions de degrés ! Ces conditions sont atteintes au sein des étoiles, dont le soleil, mais, sur terre, il s’agit de conditions vraiment extrêmes, on s’en rend aisément compte. Ainsi donc, pour arriver à fusionner du deutérium et du tritium, faut-il, non seulement atteindre cette température de 108 degrés C, mais encore doit-on conserver une densité élevée pendant un temps de plusieurs dizaines, voire centaines, de secondes. En effet, une fois atteintes les conditions de confinement du plasma, il faut parvenir à entretenir la fusion de manière à en extraire suffisamment d’énergie pour, au minimum, compenser l’investissement nécessité par l’établissement du plasma.

93Lors de la conférence de 1962, on nous avait fait espérer les premières applications industrielles de la fusion pour 1990. Une deuxième conférence, tout aussi passionnante, tenue en 1985 reportait le délai de réalisation à 2025. Actuellement, avec la prudence qu’imposent trop de désillusions, on opterait plutôt pour la deuxième moitié du 21e siècle ! La raison de ces reports successifs est très simple : le réacteur à fusion doit régler finement une réaction qui se déroule au cœur des étoiles sous des pressions et des températures colossales, alors que le réacteur à fission gère une réaction qui se déroule spontanément sous des conditions régnant à la surface de la terre.

94On se rappellera que le premier réacteur à fission contrôlée a été mis au point par Fermi en 1942, soit quatre ans après la découverte du phénomène et deux ans avant la première détonation nucléaire. En ce qui concerne la fusion, le principe en fut imaginé en 1942, la première bombe « à hydrogène » a éclaté en octobre 1952 et, au mieux, espère-t-on voir la fusion contrôlée se réaliser cent ans plus tard ! C’est que dans la bombe à fusion la température et le confinement sont réalisés de manière violente, en une minime fraction de seconde, grâce à une bombe à fission qui « amorce » l’explosion par une compression violente de la charge portée à une température de 100 millions de degrés. En réacteur de fusion, on doit atteindre et maintenir des conditions identiques de confinement mais sous un débit d’énergie stable, régulier, contrôlable, … bien loin des conditions d’une détonation. Et là, on s’en doute, le problème est particulièrement ardu ! Deux voies sont étudiées pour atteindre les conditions de confinement et de température requises. Il s’agit :

  • du confinement par fusion inertielle réalisée en bombardant, par de puissants faisceaux laser, des pastilles constituées d’un mélange de deutérium et de tritium. La difficulté réside dans la réalisation de lasers puissants (on parle de LMJ : laser mégajoule) dont le rendement énergétique est encore trop faible (1 %) et la fréquence de tir médiocre en regard de ce qui est exigé pour un réacteur fonctionnant en continu ;
  • du confinement par « magnétostriction » réalisé grâce à un champ magnétique de haute intensité agissant sur un plasma de deutérium et de tritium dans une chambre toroïdale. Cette chambre, imaginée et réalisée pour la première fois en Russie, porte le nom de « Tokamak » et elle aussi pose d’énormes problèmes de mise au point.

6. Tchernobyl a été une catastrophe : jusqu’à quel point ?

95Le nucléaire suscite la peur, à la mesure, sans doute, des énergies développées dans des installations dantesques. On peut comprendre cette crainte face à une source d’énergie relativement récente qui n’a pas encore pu faire la démonstration d’une sécurité absolue. L’accident de Tchernobyl a cependant été bien plus le fruit d’un système politique que d’une technologie qui, dans nos pays, peut se prévaloir d’un palmarès de sécurité extrêmement encourageant. Il y a, dans le monde, 438 réacteurs qui totalisent 9.500 ans de fonctionnement.

6.1. Un battage médiatique insensé

  • 20 Les pastilles d’iode n’ont été distribuées que sept jours après la catastrophe.

96Il convient de « mettre les pendules à l’heure » en ce qui concerne les conséquences de l’exposition aux radiations ionisantes et, en particulier, faire le point sur les conséquences de l’accident de Tchernobyl au sujet duquel les chiffres les plus alarmants ont été propagés par certains médias plus avides de sensationnalisme que d’information. C’est ainsi que, à l’occasion de la commémoration du cinquième anniversaire de la tragédie de Tchernobyl, les téléspectateurs de quelques chaînes de télévision européennes reçurent de plein fouet des images terribles filmées à Kiev. L'équipe d'une compagnie de télévision anglaise avait promené ses caméras dans un service pédiatrique et avait produit un reportage sur « les enfants chauves de Tchernobyl ». L'explication du mal dont souffraient ces enfants tenait en peu de mots : le Premier Mai 1986, ils auraient défilé tête nue dans les rues de Kiev, sous les retombées radioactives du réacteur en feu : ces gosses auraient donc été les victimes de la négligence meurtrière des autorités qui tergiversaient20 et ne voulaient pas encore reconnaître l'ampleur d'une catastrophe en train de semer la mort un jour de fête. Cependant, à froid, quelques considérations venaient quand même déranger les premiers sentiments de révulsion suscités par ce reportage. La perte de cheveux est un des effets aigus des radiations : son apparition, cinq ans après l'accident, était beaucoup trop tardive. La conclusion s'imposait que les reporters s'étaient quelque peu égarés dans leur dramatisation de l'événement. Quelques rares spécialistes se scandalisèrent de l'interprétation tendancieuse qui avait été tirée de ce triste spectacle. Quelques semaines plus tard, à l’occasion d'un séjour à Tchernobyl, des collègues ukrainiens nous révélèrent les causes de cette alopécie. Les « enfants chauves de Tchernobyl » étaient en réalité originaires de Tchernovtsi, une ville du sud de l'Ukraine, située à 450 km du réacteur accidenté, dans une région totalement épargnée par les retombées radioactives. Ces gosses avaient été les malheureuses victimes d'une intoxication au thallium, un élément hautement toxique, utilisé comme rodenticide et bien connu pour ses effets sur le système pileux. L’intoxication était donc avant tout d’ordre journalistique : elle était le fruit pourri d’une information viciée parce que manipulée.

  • 21 Rendez-vous est pris avec la presse pour avril-mai 2006 !

97Dans son édition de mars 2001, un périodique de vulgarisation scientifique, par ailleurs de très bon niveau, mais dont nous tairons le nom par discrétion, parlait de « … ces milliers d’enfants victimes de malformations … ». Personnellement, nous avons pu consulter un journal ukrainien qui, cinq ans après la catastrophe (mai 1991) produisait, à la une, la photo d’un jeune enfant né quelques mois après l’accident. Il souffrait de malformations terribles, affligeantes : une infirmière l’aidait à se tenir debout pour mieux exposer ses difformités. La scène était tellement dérangeante qu’elle ne pouvait que se graver dans les esprits. Dix ans, quinze ans plus tard, à chaque anniversaire, c’était toujours la même photo qui illustrait certains des articles de presse du monde entier dédiés à Tchernobyl21. Ce cas unique de malformation manquait singulièrement de poids statistique !

98Un article paru dans un quotidien occidental, dix ans après l’accident, signalait que : « Un médecin de Donietsk se prend la tête entre les mains ... les cas de malformation congénitale montent en flèche chez lui ... Les cancers de la glande thyroïde se multiplient ... ». Donietsk se trouve à 660 km de Tchernobyl et n'a connu aucune retombée radioactive importante.

6.2. La vérité des spécialistes

99L’Agence Internationale de l'Energie Atomique, a publié en 1991 le compte-rendu probablement le plus détaillé et le plus objectif qui ait jamais été produit jusque là sur l'accident ; il était intitulé : « The International Chernobyl Project : Technical Report Assessment of Radiological Consequences and Evaluation of Protective Measures ». Quelques données marquantes de ce rapport sont d’une nature bien moins alarmante que celles de la presse : il vaut la peine de les reproduire à titre de contrepoids.

  • Un diagnostic d'irradiation aiguë a été confirmé chez 237 personnes qui étaient intervenues directement après l’accident. Des examens plus poussés ont permis de réduire ce nombre à 145. L’accident a causé la mort de 30 personnes dans les jours ou semaines qui ont suivi.
  • La dose à laquelle va être exposée la population suite à l'accident de Tchernobyl durant les prochaines 50-70 années (engagement de dose) ne dépassera pas 20 à 30 % de la dose provenant des radiations naturelles.
  • La majorité de la population a reçu une dose équivalant à celle qu'un patient reçoit lors d'une radiographie normale.
  • L'accroissement prévisible de maladies génétiques et oncologiques qui pourraient apparaître en conséquence de l'irradiation ne dépassera pas quelques centièmes de pour-cent et ne pourra pratiquement pas être distingué de l'incidence naturelle.
  • La dose externe délivrée aux gens vivant dans les zones contaminées n'a pas dépassé 50 et s’établit à 15 mSv pour 97 % d'entre eux. La dose interne due au radiocésium ingéré n'a pas dépassé 50 mSv durant la première année (1986) et 20 mSv durant la seconde et ce, pour 99 % de la population concernée.
  • Dans les régions le plus sévèrement contaminées, les doses externes reçues durant la première année sont de l'ordre de 7 à 25 mSv, et la dose interne n'a pas dépassé 10 mSv dans 90 % des cas.
  • En Ukraine, il y avait 1630 femmes enceintes au moment de l’accident : aucune anomalie inhabituelle n'a été observée ni dans le déroulement de la grossesse ni durant l'accouchement ni dans l'état de santé des nouveaux-nés.
  • 22 Bennett et al. (2000).

100Bien sûr, ces constats émis en 1991 manquaient de recul. Mais, plus récemment (2000), le “United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiations” (UNSCEAR) présentait les dernières constatations relatives aux conséquences de la catastrophe. Au risque de reprendre certains constats déjà énoncés en 1991, voici ce que présente ce rapport relatif à la situation, 14 ans après l’accident22.

101Pour ce qui concerne les doses délivrées aux travailleurs et à la population :

102- Les doses les plus élevées ont été reçues par les quelque 600 personnes qui se trouvaient sur le site de la centrale durant la nuit de l’accident.

103- Des troubles aigus dus aux radiations ont été constatés chez 134 personnes qui sont intervenues durant l’accident. Le tableau ci-dessous donne l’estimation des doses reçues par ces personnes (irradiation externe au corps entier),

Tableau VI.3. Doses reçues par les personnes les plus exposées

Tableau VI.3. Doses reçues par les personnes les plus exposées

104- Pour 8 patients gravement atteints, la dose à la peau due aux rayonnements bêta a été comprise entre 10 et 30 Gy.

105- 600.000 personnes ont participé aux opérations de déblaiement et de décontamination du site : on les appelle les « liquidateurs ». Parmi eux, il y a eu 240.000 militaires. Ces liquidateurs ont surtout subi une irradiation externe. La dose annuelle moyenne a diminué progressivement durant les opérations : elle est passée de 0,17 Sv en 1986, à 0,13 Sv en 1987, 0,03 Sv en 1988 et 0,015 Sv en 1989. On estime à 0,1 Sv la dose moyenne encaissée par les liquidateurs en 1986 et 1987.

106- Suite à l’inhalation d’iode radioactif 131I (période radioactive : 8,04 jours), les doses à la thyroïde délivrées aux personnes évacuées varient évidemment suivant les endroits et le délai mis à l’évacuation. A Pripyat où l’évacuation était effective 48 heures après l’accident, la dose moyenne à la thyroïde a été de 0,17 Gy avec une fourchette de 0,07 Gy pour les adultes à 2 Gy pour les enfants. Pour la population globale des évacués, la dose moyenne à la thyroïde a été de 0,47 Gy. La dose aux autres organes et tissus a été nettement inférieure (dose due à l’irradiation externe de l’ordre de 0,025 et dose due à l’irradiation interne : 0,01 Gy).

107- Durant les quelques semaines qui ont suivi l’accident, 131I a été le principal responsable des doses délivrées à la population. Par contre, depuis 1987, ce sont surtout 134Cs et 137Cs qui se sont révélés préoccupants (le césium est un élément proche du potassium et se comporte donc comme lui en pénétrant dans la chaîne alimentaire). Les doses moyennes (internes + externes) délivrées entre 1986 et 1987 (à l’exclusion de la thyroïde) se distribuent comme suit : en Biélorussie, 8 mSv ; en Russie, 6,5 mSv et 11 en Ukraine.

108On constate donc que les doses reçues par la population en général auraient pu être réduites de manière significative si les autorités soviétiques avaient pris les mesures élémentaires de sécurité qui s’imposaient au plus vite : évacuation rapide de la population, distribution de tablettes d’iode, … Les tergiversations du régime ont sérieusement amplifié la gravité de l’accident.

109Pour ce qui concerne les effets sur la santé, mis à part un accroissement significatif des cancers de la thyroïde chez les personnes exposées à l’iode radioactif durant leur enfance, il n’y a, 14 ans après l’accident, aucune évidence d’une augmentation de l’incidence des cancers qui pourraient être associés aux radiations. Le cancer le plus significatif suite à une exposition aux radiations est sans conteste la leucémie qui apparaît 2 à 3 ans après l’exposition. En 2000, l’incidence de la leucémie n’a pas augmenté dans la population ni même chez les liquidateurs les plus exposés. Il n’y a aucune preuve scientifique d’un accroissement d’autres perturbations somatiques attribuables aux radiations.

110La vraie calamité réside dans le fait que des cancers de la thyroïde se manifestent (et continueront de le faire), chez de jeunes Ukrainiens irradiés par les retombées de l’accident : plus de 1600 cas ont été recensés chez des jeunes, irradiés avant l’âge de 18 ans. L’incidence observée dépasse ce que laissaient présager les études antérieures, sans doute à cause d’une carence en iode, généralisée chez les enfants ukrainiens et biélorusses dès avant l’accident : cette carence a favorisé l’absorption d’iode radioactif et sa fixation sur la thyroïde pendant les quelques jours qui ont suivi l’accident. Les observations montrent que le risque de cancer se stabilise pour les personnes irradiées après l’âge de dix ans, tandis qu’il continue à croître pour ceux qui ont été irradiés avant l’âge de 4-5 ans en 1986.

111Pour ce qui concerne la Communauté européenne, la dose moyenne engagée suite à l'accident (la dose cumulée totale supplémentaire qui va affecter chaque individu durant tout le reste de sa vie) se chiffre à 1,2 mSv, c'est à dire la moitié de la dose naturelle reçue en moyenne chaque année. Durant la période de contamination maximale des aliments en Belgique, soit un an après l’accident, on a mesuré dans le corps humain environ 2 Bq de 137Cs par gramme de potassium, soit 2 Bq de contamination accidentelle (passagère) par contraste avec une contamination naturelle permanente de 31 Bq par gramme de 40K !

112Pendant les quelques mois qui ont suivi l’accident, on a observé en Europe un accroissement de 20 à 30 mille avortements volontaires en excès par rapport au taux habituel. Le battage médiatique a fait infiniment plus de dégâts que l’accident lui-même !

7. Conclusions

113Avant d'entamer toute espèce de discussion sur les risques induits par l'énergie nucléaire, il importe de bien comprendre les effets des radiations et de les replacer dans le contexte de la radioactivité naturelle. Cette connaissance ne préjuge en rien de l'opinion que tout un chacun est en droit d'exprimer en tant que citoyen sur le développement de l'énergie nucléaire, mais au moins le jugement porté sera-t-il moins empreint de phantasmes, de catastrophisme ou de psychoses. Au moins pourrons-nous alors considérer l'énergie nucléaire avec un peu plus de sérénité et l'intégrer avec plus d'objectivité dans l'analyse coûts-bénéfices qui doit accompagner toute décision en matière de choix énergétique.

8. Ouvrages consultés

114Bennett, B., Bouville, A., Hall, P., Savkin, M. and Storm, H. (2000) : “Chernobyl Accident : Exposures and Effects” : proceedings of the 10th International Congress of the IRPA-10, Hiroshima, May 2000.

115Commission AMPERE (2000), Rapport : (Commission for the Analysis of the Means of Electricity Production and the Restructuring of the Energy Sector), Ministère belge des Affaires économiques.

116Commission des Communautés Européennes : "The Chernobyl Power Plant accident and its consequences in the framework of the European community" : Report to the European Parliament : COM (86) 607.

117Gillon, L. (1979) : « Le nucléaire en question », Duculot.

118Gillon, L. (1986) : « Le nucléaire en question après Tchernobyl », Duculot.

119Gillon, L. (1995) : « L’atome et l’Homme », éditions Racine, Bruxelles.

120Hall, E. J. (1984) : "Radiation and life", Pergamon.

121Halliday, D. (1955) : « Introductory Nuclear Physics », J. Wiley.

122Hawkes, N., Lean, G., Leigh, D., McKie, R., Pringle, P., et Wilson, A. (1986) : « Tchernobyl, le récit de la première catastrophe nucléaire majeure de l'histoire », Presses de la Cité, Collection Document.

123Herrmann, A.G. (1983) : "Radioaktive Abfälle : Probleme und Verantwortung", Springer-Verlag.

124Medvedev, Zh. (1990) : “The truth about Chernobyl”, Harper Collins, Basic Books.

125Piskula, W., Quinchon, P., Josso, V., Sikora, Ph., Abdelnour, R. et de Poncins C. : « Energie nucléaire » : Science et Vie, n° hors série, n° 214, mars 2001.

126Reuss, P. (1999) : « L’énergie nucléaire », Que sais-je ? Presses Universitaires de France.

127Wilkenig, M. (1990) : "Radon in the environment", Elsevier, Studies in Environmental Science, n° 40.

Notes

1 L’équation de Planck-Einstein lie l’énergie d’une onde électromagnétique E = énergie (en J) à sa fréquence J (s-1) par une constante (h = constante de Planck : 6,626 10-34 J s).

2 Du nom de Henri Becquerel qui découvrit la radioactivité naturelle en 1896, dans un échantillon de minerai d’uranium. C’est lui qui proposa à Marie Curie de rechercher l’origine de ce phénomène.

3 Isotopes = qui occupent la même place (dans le tableau périodique).

4 K pour « kalium », de l’arabe « al khali » qui veut dire « la cendre » : le potassium se retrouve dans la cendre du bois.

5 Les aurores boréales sont la manifestation visible de la violence de ces réactions.

6 Sauf en quelques sites particulièrement riches en uranium ou en thorium, en Inde et au Brésil.

7 Les doses reçues après Tchernobyl s’établissaient comme suit pour quelques pays (en mSv) : Est de la Pologne : 2 - Allemagne de l’est : 0,50 -Belgique : 0,12 - Grande Bretagne : 0,02. Sources : Organisation Mondiale de la Santé.

8 De ces cancers « naturels » 30 % sont attribuables à l'usage du tabac, 35 % aux habitudes alimentaires, 3 % à l'alcool et 2 % aux polluants chimiques. Les radiations naturelles sont aussi à incriminer ... mais il s'agit surtout du radon et des rayons solaires (UV - cancer de la peau). Le cancer, c'est avant tout une question de mode de vie !

9 Un collègue biologiste ukrainien a passé quinze ans de sa vie à étudier les effets de l’accident de Kyshtym (1957). Il a examiné des milliers d’animaux présentant une contamination sévère par 90Sr et 137Cs (jusque 40 kBq/g d’os) : il affirme n’avoir jamais détecté la moindre anomalie physiologique attribuable aux radiations.

10 Contrairement à l’opinion que l’on se fait des « anomalies génétiques », la plupart d’entre elles passent inaperçues !

11 Plus un noyau atomique comporte de protons et plus il doit accumuler de neutrons pour assurer sa cohésion. Lorsque un noyau de nombre atomique élevé subit la fission, les deux fragments qui en dérivent possèdent donc un excès de neutrons par rapport au nombre requis pour assurer leur stabilité : ils deviennent ainsi des émetteurs β par la réaction : n → p+ + β-.

12 Enrichissement qui fait passer 235U d’une concentration de 0,72 % (U naturel) à 3,5 % (combustible de réacteur).

13 Ce qui explique l’intérêt porté par les belligérants de la 2e Guerre Mondiale pour l’eau lourde produite en Norvège.

14 Dans les réacteurs à eau bouillante, peu fréquents dans le monde, des variations possibles du niveau de l’eau exigent un contrôle plus complexe de la stabilité du réacteur.

15 Cette énergie potentielle est normalement délivrée en trois ans de fonctionnement. Elle est à comparer aux 178 1015 J que le soleil envoie chaque seconde vers la terre !

16 C’est en ce sens qu’on parle de « bombes sales » : leur rendement explosif est relativement faible (ce qui est très bien !) mais elles contaminent sérieusement la zone d’impact en dispersant le plutonium qui est très radio-toxique, quel qu’en soit l’isotope.

17 Rappelons que, au contraire du carbone, l’hydrogène de l’eau est un absorbeur de neutrons.

18 On peut ici suggérer l’exemple d’une balle de ping-pong (le neutron) rebondissant sur une boule de billard (Na) sans perte significative d’énergie cinétique alors que dans les réacteurs à eau , la balle de ping-pong en heurte une autre (H) de même masse à laquelle elle communique une fraction importante de son énergie.

19 Rappelons que l’indice supérieur placé devant le symbole de l’élément donne le nombre de nucléons présents dans le noyau atomique ; 1n symbolise le neutron. Par ailleurs, le tritium 3H est radioactif, (période de 12,35 ans) : il doit donc être synthétisé.

20 Les pastilles d’iode n’ont été distribuées que sept jours après la catastrophe.

21 Rendez-vous est pris avec la presse pour avril-mai 2006 !

22 Bennett et al. (2000).

Table des illustrations

Légende Origine des rayonnements électromagnétiques de l’atome
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Titre Tableau VI.1. Bilans des émissions de substances radioactives dans l’atmosphère depuis 1945
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Titre Tableau VI.2. Doses annuelles moyennes auxquelles sont exposés les Européens
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Légende Schéma de la fission de U-235
URL http://books.openedition.org/pucl/docannexe/image/627/img-4.jpg
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URL http://books.openedition.org/pucl/docannexe/image/627/img-8.jpg
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Titre Tableau VI.3. Doses reçues par les personnes les plus exposées
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© Presses universitaires de Louvain, 2004

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