Mis à jour : Décembre 2025 | Temps de lecture : 15 min

L’énergie nucléaire représente aujourd’hui 15% de la production électrique mondiale avec plus de 440 réacteurs en opération dans 30 pays. Découvrez dans ce guide complet le fonctionnement détaillé des centrales nucléaires, les différentes technologies de réacteurs (REP, REB, RNR), les enjeux de sécurité, le cycle du combustible et les perspectives d’avenir avec les réacteurs de 4ème génération et les SMR.

Introduction à l’Énergie Nucléaire

L’énergie nucléaire occupe une place centrale dans le mix énergétique mondial. Avec 440 réacteurs nucléaires en fonctionnement répartis dans plus de 30 pays, elle fournit environ 15% de l’électricité mondiale. Cette production bas-carbone joue un rôle crucial dans la transition énergétique et la lutte contre le changement climatique.

Actuellement, environ 60 nouveaux réacteurs sont en construction, principalement en Chine, en Russie et aux Émirats Arabes Unis, témoignant d’un regain d’intérêt pour cette technologie face aux enjeux climatiques.

Le Cas de la France : Leader Mondial du Nucléaire

La France représente un modèle unique au monde avec une production d’électricité reposant à environ 67% sur le nucléaire (données 2024). Le parc nucléaire français compte 56 réacteurs en exploitation répartis sur 18 sites, auxquels s’ajoutera bientôt le réacteur EPR de Flamanville.

Les puissances des réacteurs français varient de 900 MWe à 1 450 MWe, permettant une flexibilité dans la production électrique nationale. Cette stratégie énergétique a permis à la France de réduire drastiquement ses émissions de CO₂ dans le secteur électrique, avec seulement 50g CO₂/kWh contre 350-450g pour l’Europe.

Qu’est-ce que l’Énergie Nucléaire ?

Le Principe de la Fission Nucléaire

L’énergie nucléaire provient de la fission de noyaux atomiques lourds, principalement l’uranium 235 et le plutonium 239. Le processus de fission consiste en la scission d’un noyau lourd en deux fragments plus légers (produits de fission), accompagnée de l’émission de 2 à 3 neutrons et d’une quantité considérable d’énergie.

Lorsqu’un neutron entre en collision avec un noyau d’uranium 235, ce dernier devient instable et se divise en deux noyaux plus petits. Cette réaction libère environ 200 MeV (millions d’électronvolts) d’énergie, soit environ 10 millions de fois plus qu’une réaction chimique classique comme la combustion du charbon.

Densité Énergétique : L’Avantage Majeur du Nucléaire

La densité énergétique exceptionnelle de l’uranium constitue son principal avantage :

• 1 gramme d’uranium 235 produit 24 000 kWh d’électricité
• Cela équivaut à 3,2 tonnes de charbon ou 10 barils de pétrole
• Une pastille d’uranium de 6 grammes = 1 tonne de charbon

Cette densité énergétique exceptionnelle explique pourquoi le nucléaire occupe une empreinte au sol très réduite comparé aux autres sources d’énergie. Une centrale nucléaire de 1400 MW occupe environ 70 hectares, contre 35 000 hectares pour l’équivalent éolien (500 fois plus).

Les Ressources Fissiles et Fertiles

Les isotopes utilisés pour la fission nucléaire se divisent en deux catégories :

Isotopes Fissiles (directement utilisables)

• Uranium 235 : représente seulement 0,7% de l’uranium naturel
• Plutonium 239 : produit artificiellement dans les réacteurs
• Uranium 233 : produit à partir du thorium 232

Isotopes Fertiles (transformables en fissiles)

• Uranium 238 : 99,3% de l’uranium naturel, peut être converti en plutonium 239
• Thorium 232 : abondant dans la nature, peut être converti en uranium 233

L’uranium 238, bien qu’il ne soit pas directement fissile, constitue une ressource stratégique majeure. Lorsqu’il capture un neutron, il se transforme progressivement en plutonium 239, qui est lui-même fissile. Ce processus est exploité dans les réacteurs surgénérateurs pour « créer » plus de combustible qu’ils n’en consomment.

Les Différentes Technologies de Réacteurs Nucléaires

Les technologies de réacteurs nucléaires se distinguent par trois éléments fondamentaux : le type de combustible utilisé, le modérateur (qui ralentit les neutrons) et le fluide caloporteur (qui extrait la chaleur). Ces combinaisons donnent naissance à différentes filières technologiques.

Réacteur à Eau Pressurisée (REP) – Technologie Dominante

Le Réacteur à Eau Pressurisée (REP, ou PWR en anglais) représente environ 65% du parc nucléaire mondial. C’est la technologie utilisée en France pour l’ensemble de ses réacteurs.

Caractéristiques Techniques du REP

• Combustible : Uranium enrichi à 3-5% en uranium 235
• Modérateur et caloporteur : Eau légère (H₂O)
• Pression primaire : 155 bars
• Température : 284-322°C dans le circuit primaire
• Rendement thermodynamique : environ 33%

Le principe du REP repose sur trois circuits séparés : le circuit primaire en contact avec le combustible reste sous pression élevée (155 bars) pour éviter l’ébullition de l’eau malgré les températures élevées. Cette eau chauffée transfère son énergie au circuit secondaire via les générateurs de vapeur, produisant de la vapeur à 270-280°C qui alimente les turbines.

Les Composants Principaux d’un REP

Cuve du réacteur : Enceinte en acier de 20 cm d’épaisseur contenant le cœur nucléaire et les assemblages combustibles. Les assemblages mesurent 3,5 à 4 mètres de hauteur et sont disposés en matrice carrée de 15×15 ou 17×17 crayons selon la puissance.

Générateurs de vapeur : Échangeurs thermiques géants contenant 3 300 à 5 000 tubes de 22 mètres de hauteur. L’eau chaude du circuit primaire circule à l’intérieur des tubes, vaporisant l’eau du circuit secondaire à l’extérieur.

Pressuriseur : Maintient la pression du circuit primaire à 155 bars constants par un système de résistances électriques chauffantes et d’aspersion d’eau froide.

Pompes primaires : Assurent la circulation de l’eau dans le circuit primaire avec un débit de plusieurs milliers de m³/h.

Enceinte de confinement : Structure en béton et acier formant la troisième barrière de sûreté, capable de résister à des pressions internes de plusieurs bars en cas d’accident.

Réacteur à Eau Bouillante (REB)

Le Réacteur à Eau Bouillante (REB ou BWR) représente environ 20% du parc mondial. Contrairement au REP, l’eau bout directement dans la cuve du réacteur, simplifiant l’architecture mais exposant davantage les turbines à la radioactivité.

• Pression unique : environ 70 bars
• Ébullition directe dans le cœur
• Pas de générateur de vapeur (circuit unique)
• Rendement légèrement supérieur au REP (34-35%)

Réacteur RBMK (Type Tchernobyl)

Le RBMK (Reaktor Bolshoy Moshchnosti Kanalnyy) est une technologie soviétique utilisant du graphite comme modérateur et de l’eau bouillante comme caloporteur. Cette conception présentait des faiblesses de sûreté majeures révélées lors de l’accident de Tchernobyl en 1986.

• Modérateur : Graphite (statique)
• Caloporteur : Eau bouillante
• Absence d’enceinte de confinement complète
• Coefficient de vide positif (instabilité potentielle)

Réacteurs à Neutrons Rapides (RNR) au Sodium

Les Réacteurs à Neutrons Rapides (RNR ou Fast Breeder Reactors) utilisent du plutonium comme combustible et ne modèrent pas les neutrons. Le sodium liquide, choisi comme caloporteur, permet d’atteindre des températures élevées sans pression.

Avantages des RNR

• Combustible : Plutonium 239 (pas de modération nécessaire)
• Caloporteur : Sodium liquide (température jusqu’à 550°C)
• Rendement thermodynamique : 40-45% (vs 33% pour REP)
• Surgénération : Produit plus de combustible qu’il n’en consomme
• Utilise l’uranium 238 (99,3% de l’uranium naturel)

La France a développé Superphénix, un RNR de 1 200 MWe qui a fonctionné de 1985 à 1998. Bien que ce projet ait été arrêté pour des raisons politiques et techniques, la recherche sur les RNR se poursuit avec le projet Astrid.

Sécurité Nucléaire : Les Trois Barrières de Confinement

La sûreté nucléaire repose sur le concept de « défense en profondeur » avec trois barrières successives entre les matières radioactives et l’environnement :

Les Trois Barrières de Sûreté

1. La gaine du combustible : Tubes en alliage de zirconium (Zircaloy) contenant les pastilles d’uranium. Cette première barrière empêche la dispersion des produits de fission dans le circuit primaire.

2. Le circuit primaire : Ensemble des tuyauteries, cuve du réacteur et générateurs de vapeur formant un système clos sous pression. L’acier inoxydable de 20 cm d’épaisseur de la cuve constitue une barrière robuste.

3. L’enceinte de confinement : Bâtiment en béton précontraint de 1,2 mètre d’épaisseur doublé d’une peau métallique étanche. Capable de résister à un impact d’avion de ligne et de contenir les rejets en cas d’accident grave.

Systèmes de Sécurité Actifs et Passifs

En cas de situation accidentelle, plusieurs systèmes de sécurité entrent en action :

• Injection de sécurité : Systèmes redondants capables de noyer le cœur en quelques minutes
• Refroidissement de secours : Circuits indépendants alimentés par groupes électrogènes diesel
• Aspersion de l’enceinte : Réduit la pression et condense la vapeur en cas de brèche
• Barres de contrôle : Insertion automatique en moins d’une seconde pour arrêter la réaction
• Recombineurs d’hydrogène : Préviennent les explosions d’hydrogène

Les réacteurs de 3ème génération (EPR, AP1000) intègrent également des systèmes de sécurité passifs ne nécessitant pas d’alimentation électrique, comme le récupérateur de corium pour retenir le combustible fondu en cas d’accident grave.

Le Cycle du Combustible Nucléaire

Le cycle du combustible nucléaire français est unique au monde grâce à sa stratégie de recyclage. Contrairement aux États-Unis qui optent pour un cycle « ouvert » (stockage direct), la France a choisi un cycle « fermé » valorisant les matières recyclables.

Les Étapes du Cycle du Combustible

1. Extraction minière : L’uranium est extrait de mines principalement situées au Kazakhstan, Canada, Australie et Niger. Les réserves mondiales sont estimées à plus de 100 ans au rythme de consommation actuel.

2. Enrichissement : L’uranium naturel (0,7% U-235) est enrichi à 3-5% pour les réacteurs civils. La France utilise la technologie d’ultracentrifugation au site Georges Besse II (Tricastin).

3. Fabrication du combustible : L’uranium enrichi est transformé en pastilles céramiques (10 mm de diamètre, 12 mm de hauteur) puis chargé dans des tubes en zircaloy pour former des crayons combustibles. 264 crayons constituent un assemblage combustible.

4. Utilisation en réacteur : Le combustible reste 3 à 4 ans dans le réacteur, produisant environ 45 000 MWh/tonne d’uranium.

5. Traitement-recyclage (La Hague) : Après refroidissement de 3-5 ans en piscine, le combustible usé est retraité. 96% des matières sont recyclables : 95% uranium de retraitement (URE) et 1% plutonium pour le combustible MOX.

6. Stockage des déchets ultimes : Seulement 4% constituent des déchets ultimes (produits de fission et actinides mineurs) vitrifiés et destinés au stockage géologique profond (projet Cigéo à Bure).

La Gestion des Déchets Nucléaires

Pour 500 kg d’uranium initial dans un assemblage combustible, on obtient après traitement :

• 465 kg d’uranium recyclable (93%)
• 5 kg de plutonium recyclable (1%)
• 15-20 kg de produits de fission (déchets ultimes, 3-4%)
• 10 kg d’actinides mineurs (déchets ultimes, 2%)

Après 60 ans d’exploitation du parc nucléaire français, le volume total de déchets de haute activité à vie longue représente environ 10 000 m³, soit l’équivalent de trois piscines olympiques. Ce volume contraste avec les millions de tonnes de cendres toxiques produites annuellement par les centrales à charbon.

Aspects Économiques de l’Énergie Nucléaire

Structure des Coûts

La structure des coûts du nucléaire diffère radicalement des énergies fossiles :

• Investissement initial (CAPEX) : 50-60% du coût total
• Exploitation et maintenance (OPEX) : 30-35%
• Combustible : 10-15% seulement

Cette répartition rend le nucléaire peu sensible aux variations du prix de l’uranium, contrairement au gaz où le combustible représente 60-70% du coût de production. Un doublement du prix de l’uranium n’augmenterait le coût du kWh nucléaire que de 10-15%.

Coûts de Construction des Réacteurs

Les coûts de construction (« overnight cost ») varient considérablement selon les pays et les projets :

• Réacteurs historiques (années 1980) : 2000-4000 $/kWe
• Réacteurs récents (Chine, Corée) : 3000-5000 $/kWe
• First-of-a-kind (EPR Flamanville, Olkiluoto) : 8000-12000 $/kWe
• EPR Hinkley Point C (UK) : environ 7000 $/kWe

Les coûts élevés des premiers EPR s’expliquent par l’effet « tête de série » (première construction), les arrêts de chantier réglementaires et la perte de compétences dans la construction nucléaire. Les réacteurs suivants bénéficient d’un effet d’apprentissage réduisant les coûts de 20-30%.

Besoins en Refroidissement et Impact Environnemental

Le rendement thermodynamique de 33% implique que pour 2 700 MW thermiques produits par le cœur, seulement 900 MW sont convertis en électricité. Les 1 800 MW restants doivent être évacués vers l’environnement.

Deux Solutions de Refroidissement

Circuit ouvert (mer ou grand fleuve) : Prélève 40-50 m³/s d’eau naturelle, la réchauffe de quelques degrés puis la rejette. Pas de consommation nette d’eau, mais réchauffement local limité par réglementation (< 1°C d’élévation en moyenne annuelle).

Circuit fermé avec tours de refroidissement : Évapore environ 2 litres d’eau par kWh produit, soit 2 m³/s pour un réacteur de 900 MW. Nécessite une source d’appoint (rivière, nappe) mais limite l’impact thermique sur le milieu naturel.

Les épisodes de canicule et de sécheresse peuvent contraindre à réduire la puissance des réacteurs en circuit ouvert pour respecter les températures maximales de rejet (28°C généralement). En 2022, plusieurs réacteurs français ont dû fonctionner en mode dégradé durant l’été.

Perspectives et Évolutions Futures

Prolongation de Durée de Vie des Réacteurs Existants

La tendance mondiale actuelle privilégie la prolongation de durée de vie des réacteurs existants plutôt que la construction de nouveaux. Les réacteurs conçus initialement pour 30-40 ans d’exploitation peuvent désormais viser 60 voire 80 ans moyennant des investissements de modernisation (« grand carénage »).

En France, l’ASN (Autorité de Sûreté Nucléaire) autorise la prolongation par tranche de 10 ans après vérification approfondie. EDF investit 50 milliards d’euros dans le grand carénage pour porter le parc à 60 ans, soit environ 1 milliard par réacteur.

Réacteurs de Génération III+ : Sûreté Renforcée

Les réacteurs de génération III+ intègrent des améliorations majeures de sûreté :

• EPR (European Pressurized Reactor) : 1650 MWe, 4 trains de sécurité, récupérateur de corium
• AP1000 (Westinghouse) : 1100 MWe, refroidissement passif, conception simplifiée
• APR1400 (Corée) : 1400 MWe, en service depuis 2016
• HPR1000 (Chine) : 1000 MWe, dérivé français adapté

Ces réacteurs visent une probabilité d’accident grave inférieure à 10⁻⁶ par réacteur-an, soit un accident tous les millions d’années de fonctionnement, contre 10⁻⁴ pour la génération II.

Réacteurs de Génération IV : Révolution Technologique

Six concepts de réacteurs de 4ème génération sont en développement international, visant la multifonctionnalité (électricité, hydrogène, dessalement) et l’optimisation du cycle du combustible :

• RNR au sodium (SFR) : Continuation de Superphénix, projet Astrid en France
• Réacteur à sels fondus (MSR) : Combustible liquide, sûreté intrinsèque
• Réacteur à très haute température (VHTR) : 1000°C, production d’hydrogène
• Réacteur rapide au gaz (GFR) : Neutrons rapides, hélium comme caloporteur

Ces réacteurs promettent de multiplier par 50 à 100 l’utilisation des ressources d’uranium en exploitant l’uranium 238, transformant ainsi les réserves de quelques dizaines de milliers d’années.

Small Modular Reactors (SMR) : Flexibilité et Modularité

Les SMR (réacteurs modulaires de petite taille) représentent une rupture dans l’approche industrielle du nucléaire :

• Puissance : 50-300 MWe (vs 900-1650 MWe pour les grands réacteurs)
• Fabrication en usine puis transport par route/mer
• Délai de construction réduit : 3-5 ans vs 10-15 ans
• Coût unitaire inférieur : 3000-5000 $/kWe visé
• Sûreté passive : Refroidissement par convection naturelle

En France, Naval Group, TechnicAtom, EDF et le CEA développent le projet NUWARD, un SMR de 170 MWe destiné au remplacement de centrales à charbon et à l’export. Le design devrait être finalisé en 2030 pour une première mise en service vers 2035.

Foire Aux Questions (FAQ)

Pourquoi le rendement des centrales nucléaires est-il si faible (33%) ?

Le rendement de 33% est limité par les lois de la thermodynamique (cycle de Carnot). La température relativement basse du fluide caloporteur (320°C pour un REP) comparée aux centrales à gaz (1400°C) explique ce rendement modeste. Les réacteurs de 4ème génération (VHTR à 1000°C) viseront 45-50% de rendement.

Combien de temps durent les réserves d’uranium ?

Les réserves d’uranium identifiées (8 millions de tonnes) assurent plus de 100 ans au rythme de consommation actuel. Avec les surgénérateurs exploitant l’uranium 238, ces réserves s’étendent à plusieurs milliers d’années. L’uranium dissous dans les océans (4 milliards de tonnes) constitue une ressource pratiquement illimitée bien que coûteuse à extraire.

Le nucléaire est-il vraiment bas-carbone ?

Oui. L’analyse du cycle de vie complet (extraction, enrichissement, construction, exploitation, démantèlement) donne 12g CO₂eq/kWh pour le nucléaire, contre 1000g pour le charbon, 490g pour le gaz, 41g pour le solaire photovoltaïque et 11g pour l’éolien terrestre (données GIEC 2014). Le nucléaire se situe au niveau de l’éolien dans les énergies les plus décarbonées.

Que deviennent les déchets nucléaires sur le très long terme ?

Les déchets de haute activité à vie longue (4% du volume total) seront stockés en couche géologique profonde à 500 mètres sous terre dans des formations argileuses imperméables (projet Cigéo). La radioactivité décroît exponentiellement : après 300 ans, elle a diminué de 99%, et après 10 000 ans, les déchets vitrifiés présentent une radioactivité comparable à un gisement d’uranium naturel.

Pourquoi construire de nouveaux réacteurs alors qu’on peut prolonger les anciens ?

La prolongation est économiquement intéressante mais limitée dans le temps (60-80 ans maximum). Le parc français a été construit entre 1977 et 1999 : même prolongé à 60 ans, il devra être remplacé entre 2037 et 2059. La construction de nouveaux réacteurs (EPR2) doit démarrer dès maintenant pour éviter une falaise de production dans les années 2040-2050.

Le nucléaire peut-il s’adapter aux énergies renouvelables intermittentes ?

Les REP français peuvent moduler leur puissance de 30% à 100% en quelques heures, permettant de compenser l’intermittence solaire et éolienne. La France effectue environ 5000 transitoires de puissance par an sur son parc. Cette flexibilité opérationnelle, couplée au faible coût marginal du nucléaire, en fait un complément idéal aux renouvelables dans un mix décarboné.

Conclusion

L’énergie nucléaire représente une technologie mature et éprouvée qui a fait ses preuves depuis 70 ans. Avec 440 réacteurs en opération produisant 15% de l’électricité mondiale, elle constitue la principale source d’électricité bas-carbone pilotable.

Les avantages du nucléaire sont multiples : émissions de CO₂ très faibles (12g/kWh), densité énergétique exceptionnelle permettant une faible emprise territoriale, ressources disponibles sur le long terme, et capacité à produire en continu indépendamment des conditions météorologiques.

Cependant, le nucléaire nécessite des conditions spécifiques pour être déployé : réseau électrique robuste capable d’absorber la puissance produite, disponibilité en eau importante et stable, expertise technique pointue tant pour la conception et l’exploitation que pour l’autorité de sûreté, et stabilité politique sur plusieurs décennies.

Face à l’urgence climatique et à la nécessité de décarboner rapidement la production électrique mondiale, le nucléaire apparaît comme un outil indispensable du mix énergétique aux côtés des énergies renouvelables. Les développements futurs (génération IV, SMR, fusion) promettent d’améliorer encore la sûreté, l’efficacité et la compétitivité économique de cette technologie.

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Cet article a été rédigé par l’équipe AMSY Energy, votre référence en efficacité énergétique et transition écologique.

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