Fiche de révision : Bases de l’ingénierie nucléaire

📋 Plan du Cours

1. Rôle et caractéristiques du nucléaire
2. Centrales et émissions de carbone
3. Pilotabilité et facteur de charge
4. Conversion thermodynamique de l’électricité
5. Bouquet électrique et enjeux économiques
6. Fission et réaction en chaîne
7. Fonctionnement d’un REP
8. Uranium et filières nucléaires
9. Nucléaire mondial et français
10. Acteurs et parc français
11. Projets et parc nucléaire français
12. Définition et amont du cycle
13. Aval du cycle et retraitement
14. Déchets et démantèlement
15. Cycles ouvert et semi-fermé

📖 1. Rôle et caractéristiques du nucléaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Centrale électrique : Installation qui produit de l’électricité à partir d’une source d’énergie

★ À maîtriser

• Une centrale nucléaire produit de l’électricité à partir de la fission de l’uranium 235.

• Le nucléaire est un mode de production électrique non-carboné en exploitation, pilotable, thermique et non-renouvelable.

Compléments

📐 Formule — L’énergie produite vérifie $E=\dot{E}\times\Delta t$, avec l’énergie en joules et la puissance en watts.

📐 Formule — Une énergie de 1 Wh vaut $1\,\mathrm{Wh}=3{,}6\,\mathrm{kJ}=3600\,\mathrm{J}$.

💡 Astuce mémo

NPTN : non-carbone, pilotable, thermique, non-renouvelable

📖 2. Centrales et émissions de carbone

🔑 Notions clés & Définitions

• Facteur d’émission : Rapport entre la masse de CO₂ équivalent émise et l’énergie électrique produite

★ À maîtriser

📌 Une centrale thermique convertit une énergie thermique en énergie mécanique puis en énergie électrique, tandis qu’une installation non thermique ne passe pas par une conversion de chaleur.

• En exploitation, le nucléaire émet 0 gCO₂eq/kWh, tandis que son analyse en cycle de vie est d’environ 5 à 10 gCO₂eq/kWh selon les données présentées.

Compléments

• Les centrales thermiques représentaient 72 % de l’électricité mondiale en 2023 et 74 % de l’électricité française en 2024.

• L’analyse en cycle de vie inclut:

  • l’amont
  • l’exploitation
  • l’aval

• En 2019, les gaz à effet de serre étaient attribués à 75 % au CO₂ et à 18 % au CH₄ sur une échelle de 100 ans selon le GIEC 2022.

💡 Astuce mémo

Exploitation = immédiat ; cycle de vie = durable

📖 3. Pilotabilité et facteur de charge

★ À maîtriser

• La stabilité du réseau électrique impose à tout instant l’égalité entre la demande et la production ; sinon, le réseau peut s’effondrer et provoquer un blackout.

• Une production pilotable est disponible à la demande, tandis qu’une production fatale est non maîtrisable en raison de l’intermittence ou de l’absence de contrôle.

• La production de base répond à la consommation régulière, la semi-base accompagne les pics prévisibles et la pointe répond aux demandes élevées et soudaines.

📐 Formule — L’énergie annuelle produite par une installation de puissance $\dot{E}$ et de facteur de charge f vérifie $E=f\dot{E}\Delta t$.

Compléments

• La demande électrique varie selon les saisons, les jours et les heures : elle est maximale en hiver, diminue le week-end, atteint un minimum la nuit et présente deux maxima journaliers.

• Le facteur de charge des centrales nucléaires est généralement compris entre 0,7 et 0,8, et celui calculé pour le parc français en 2023 est de 0,636.

💡 Astuce mémo

Demande = production ; sinon, le réseau s’effondre

📖 4. Conversion thermodynamique de l’électricité

★ À maîtriser

• Une centrale thermique convertit d’abord la chaleur en travail mécanique dans une machine thermique, puis le travail mécanique en électricité dans un alternateur.

📐 Formule — Le rendement d’une machine thermique est le rapport de l’énergie utile sur l’énergie payée, soit $\eta=\frac{\text{travail fourni}}{\text{chaleur reçue}}=\frac{-W}{Q_1}$.

📌 Selon le second principe de la thermodynamique, une machine thermique fournissant du travail ne peut pas avoir un rendement de 100 % et doit rejeter de la chaleur vers une source froide. — Sadi Carnot

📌 Dans un cycle direct, le fluide thermodynamique est directement en contact avec la source de chaleur, tandis que dans un cycle indirect un fluide caloporteur transmet la chaleur au fluide thermodynamique par un échangeur.

Compléments

• Dans un REP de 1450 MWe, environ deux tiers de la puissance produite sont perdus sous forme de chaleur rejetée à la source froide.

💡 Astuce mémo

Chaleur → travail → électricité

📖 5. Bouquet électrique et enjeux économiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Coût marginal : Coût nécessaire pour produire un kilowattheure supplémentaire, hors investissement

★ À maîtriser

• En 2023, la production électrique mondiale était de 30 121 TWh, dont 62,7 % issue du thermique à flamme et 9,1 % du nucléaire. — IEA

• En France en 2024, la production électrique était de 569,5 TWh, dont 66,8 % nucléaire, 13,6 % hydraulique, 6,8 % thermique à flamme, 8,3 % éolien et 4,1 % solaire photovoltaïque.

📌 Le prix spot de l’électricité est fortement lié au coût de la centrale marginale, c’est-à-dire la dernière centrale appelée pour équilibrer l’offre et la demande.

Compléments

• En 2025, la France était le premier exportateur d’électricité d’Europe avec un solde net de 92 TWh.

• En France, le prix moyen du marché de l’électricité était de 32 euros/MWh en 2020, 109 euros/MWh en 2021, 276 euros/MWh en 2022, 97 euros/MWh en 2023 et 58 euros/MWh en 2024.

💡 Astuce mémo

Monde dominé par les flammes ; France dominée par le nucléaire

📖 6. Fission et réaction en chaîne

★ À maîtriser

📐 Formule — La fission induite s’écrit $n+^{235}\mathrm{U}\rightarrow\text{produits de fission}+\text{neutrons}$ et libère environ 200 MeV.

• Les produits de fission emportent l’essentiel de l’énergie cinétique, déposent cette énergie dans la matière par des chocs et produisent de la chaleur.

📐 Formule — Une fission crée généralement 2 à 3 neutrons, et le nombre de neutrons suit la relation $X_{n+1}=qX_n$.

📌 Si q est supérieur à 1, le nombre de neutrons et de fissions augmente exponentiellement, ce qui impose de contrôler la réaction en chaîne pour piloter la puissance du réacteur.

Compléments

• Dans un REP de 1450 MWe, chaque fission libère 200 MeV, la puissance thermique est de 4250 MW et la puissance électrique de 1450 MW, pour un rendement de 34 %.

💡 Astuce mémo

Fission → chaleur → neutrons → réaction en chaîne

📖 7. Fonctionnement d’un REP

🔑 Notions clés & Définitions

• REP : Réacteur à eau pressurisée qui utilise de l’eau comme fluide caloporteur et comme modérateur dans son circuit primaire sous pression

★ À maîtriser

• Dans un REP, le circuit primaire contient de l’eau à environ 155 bar et 311 °C en phase liquide, qui transporte la chaleur du réacteur vers le générateur de vapeur.

• Le générateur de vapeur transfère la chaleur du fluide caloporteur primaire à l’eau secondaire et vaporise cette dernière.

• Dans le circuit secondaire, la vapeur entraîne la turbine, la turbine fait tourner l’alternateur, puis le condenseur liquéfie l’eau avant son retour dans le cycle.

📌 Un circuit tertiaire ouvert rejette directement l’eau de refroidissement dans le fleuve ou la mer, tandis qu’un circuit tertiaire fermé utilise un aéroréfrigérant lorsque l’échauffement est trop important, typiquement entre 5 et 10 °C.

Compléments

• Dans un REP 1450, le circuit secondaire comporte quatre générateurs de vapeur par réacteur et le circuit tertiaire du condenseur reçoit environ deux tiers de la puissance produite sous forme de chaleur.

💡 Astuce mémo

Primaire → générateur de vapeur → secondaire → tertiaire

📖 8. Uranium et filières nucléaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Noyau fissile : Noyau qui peut fissionner avec des neutrons thermiques
• Filière de réacteur : Une filière de réacteur est caractérisée par son combustible, l’énergie des neutrons, son caloporteur et son modérateur.

★ À maîtriser

• L’uranium naturel contient 99,3 % d’uranium 238 et 0,7 % d’uranium 235.

• Avec des neutrons thermiques, l’uranium 235 subit environ 15 % de captures et 85 % de fissions, tandis que l’uranium 238 subit une capture conduisant à l’uranium 239.

• Le REP utilise de l’uranium enrichi à 3,5 %, des neutrons thermiques, de l’eau comme caloporteur et de l’eau comme modérateur ; il représente 100 % de la flotte française et 73 % de la flotte mondiale selon le tableau du cours.

Compléments

• Le RNR utilise de l’uranium, des neutrons rapides d’environ 2 MeV et du sodium comme caloporteur, sans modérateur.

💡 Astuce mémo

U-235 fissile ; U-238 capturant les neutrons thermiques

📖 9. Nucléaire mondial et français

★ À maîtriser

• Au 25 juin 2026, 415 réacteurs nucléaires fonctionnaient dans 31 pays pour une puissance totale de 379,4 GWe, tandis que 73 réacteurs étaient en construction et 220 arrêtés. — PRIS

• Le CEA a été créé le 18 octobre 1945 par le général de Gaulle pour mener des recherches scientifiques et techniques sur l’énergie nucléaire dans la science, l’industrie et la défense nationale.

• En novembre 1969, le président Georges Pompidou choisit la filière américaine des réacteurs à eau pressurisée pour la France.

Compléments

• Les États-Unis possédaient 94 réacteurs pour 97,0 GWe, la Chine 60 pour 58,8 GWe et la France 57 pour 63 GWe dans les données du cours.

• La filière REP compte 308 réacteurs en fonctionnement, 63 en construction et 74 arrêtés dans le tableau mondial présenté.

• Le 21 décembre 2024, l’EPR de Flamanville est couplé au réseau, portant le parc français à 57 réacteurs.

💡 Astuce mémo

CEA → UNGG → REP → EPR

📖 10. Acteurs et parc français

🔑 Notions clés & Définitions

• Tranche nucléaire : Unité de production correspondant à l’ensemble réacteur, générateur de vapeur, turbine et alternateur

📝 Points essentiels

• EDF est détenue à 100 % par l’État français et exploite 57 réacteurs en France ainsi que 9 en Grande-Bretagne.

• Les activités d’ORANO couvrent:

  • les mines
  • la conversion
  • l’enrichissement
  • la fabrication
  • le retraitement
  • les déchets
  • le démantèlement

• L’ASNR, créée par la loi du 21 juin 2024 et opérationnelle le 1er janvier 2025, assure les rôles d’expertise de l’IRSN et de décision de l’ASN en matière de sûreté nucléaire et de radioprotection.

• Le parc électronucléaire français comprend 1 EPR de 1650 MWe, 4 réacteurs N4 de 1450 MWe, 20 réacteurs P4 de 1300 MWe et 32 réacteurs de 900 MWe, soit 57 REP répartis dans 18 CNPE pour 63 GWe.

📖 11. Projets et parc nucléaire français

🔑 Notions clés & Définitions

• CNPE : site comportant une ou plusieurs tranches, généralement entre 2 et 6 réacteurs

★ À maîtriser

• Le programme EPR2 prévoit 6 réacteurs à Penly, Gravelines et Bugey, ainsi que 8 réacteurs supplémentaires en option, pour une puissance unitaire de 1670 MWe.

Compléments

• La mise en service du premier EPR2 à Penly est prévue en 2038.

• Quatorze réacteurs français sont en démantèlement : 8 UNGG, 3 REP, 2 RNR et 1 réacteur à eau lourde.

📖 12. Définition et amont du cycle

🔑 Notions clés & Définitions

• Cycle du combustible : ensemble des activités industrielles relatives au combustible nucléaire, de la mine au stockage des déchets nucléaires

★ À maîtriser

• Le combustible des REP est de l'UO₂ enrichi à environ 3,5 % en uranium 235, et le parc électronucléaire français utilise environ 7000 tonnes de combustible UOX chaque année.

• 🔄 L'amont du cycle transforme le minerai en combustible par:

  1. extraction
  2. concentration
  3. conversion
  4. enrichissement
  5. fabrication du combustible

• Le minerai uranifère contient entre 0,5 et 10 kg d'uranium par tonne et se trouve notamment sous forme de pechblende, ou uraninite.

• La composition isotopique naturelle de l'uranium est d'environ 99,3 % d'uranium 238 et 0,7 % d'uranium 235.

• L'enrichissement transforme typiquement 8 kg d'uranium naturel à 0,7 % en 1 kg d'uranium enrichi à 3,7 % et 7 kg d'uranium appauvri à 0,25 %.

📌 Les deux procédés industriels d'enrichissement sont la diffusion gazeuse, utilisée à Tricastin de 1979 à 2012, et l'ultracentrifugation, utilisée à Tricastin depuis 2011 et environ 60 fois moins énergivore.

• Un REP de 1450 MWe comprend 205 assemblages de 264 crayons, avec 316 pastilles par crayon, soit environ 17,1 millions de pastilles et 134 tonnes d'UO₂ dans le cœur.

Compléments

• Les principaux producteurs sont:
  • le Kazakhstan à 43 %
  • le Canada à 15 %
  • la Namibie à 11 %
  • l'Australie à 9 %
  • l'Ouzbékistan à 7 %
  • le Niger à 4 %

💡 Astuce mémo

Mine → concentration → conversion → enrichissement → combustible

📖 13. Aval du cycle et retraitement

🔑 Notions clés & Définitions

• Procédé PUREX : acronyme de Plutonium and Uranium Refining by Extraction, sépare notamment l'uranium et le plutonium des produits de fission et des actinides

★ À maîtriser

• Dans un REP, les assemblages combustibles sont renouvelés par tiers tous les 12 à 18 mois, lors d'un arrêt programmé de tranche de 1 à 2 mois, et chaque assemblage est changé après environ quatre ans.

• Le combustible usé contient environ:

  • 1 % d'uranium 235,1 % d'uranium 236,94 % d'uranium 238,1 % de plutonium
  • 3,4 % de produits de fission
  • 1 % d'actinides mineurs

• Le plutonium 239 se forme par capture neutronique sur l'uranium 238, suivie de deux désintégrations bêta : l'uranium 239 devient neptunium 239 puis plutonium 239.

• La puissance résiduelle du combustible usé vaut environ 6 % de la puissance nominale immédiatement après l'arrêt, soit 2,3 MW par tonne, puis elle est divisée par 10 après un jour et par 100 après un an.

Compléments

• Le combustible usé est entreposé environ un an en piscine près du réacteur puis cinq ans à La Hague, où 7500 tonnes de combustible usé sont entreposées.

• En France, le retraitement industriel est réalisé à La Hague dans les usines UP2-800 et UP3, dont la capacité annoncée est de 1700 tonnes par an.

💡 Astuce mémo

Déchargement → refroidissement → séparation → valorisation ou déchets

📖 14. Déchets et démantèlement

🔑 Notions clés & Définitions

• Déchet radioactif : déchet provenant notamment du cycle électronucléaire, du démantèlement ou d'activités de recherche, médicales et industrielles, dont la gestion relève de l'ANDRA

📝 Points essentiels

📌 La classification française des déchets radioactifs repose sur l'activité massique, exprimée en Bq/g, et la période radioactive, avec une limite de 31 ans entre vie courte et vie longue.

• Les seuils d'activité massique classent les déchets en TFA sous 100 Bq/g, FA entre 100 Bq/g et 1 MBq/g, MA entre 1 MBq/g et 1 GBq/g, et HA au-dessus de 1 GBq/g.

• Les déchets TFA et FMA-VC sont stockés en surface, tandis que les déchets MA-VL et HA sont destinés à un stockage géologique à environ 500 m dans le cadre du projet CIGEO.

• Les stratégies de fin de vie sont:

  • le démantèlement immédiat
  • le démantèlement différé
  • la mise en tombeau

💡 Astuce mémo

Vie courte : surface ; vie longue : stockage géologique

📖 15. Cycles ouvert et semi-fermé

★ À maîtriser

📌 Dans un cycle ouvert, le combustible usé est considéré comme un déchet ultime, tandis que dans un cycle semi-fermé, l'uranium et le plutonium sont séparés et valorisés.

• L'uranium de retraitement, qui contient environ 1 % d'uranium 235, peut être réenrichi pour produire de l'URE contenant 3 à 4 % d'uranium 235.

• Le combustible MOX est composé d'UO₂ et de PuO₂, avec une teneur moyenne en plutonium de 8,65 % et environ 4 à 5 % de matière fissile.

Compléments

• L'uranium de retraitement utilisé en France est destiné à environ 70 % à la fabrication d'uranium réenrichi, tandis que 30 % est conservé en stock stratégique, soit 23000 tonnes d'URT.

• En France, 22 réacteurs utilisent du MOX en complément de l'UOX, ce qui représente environ 10 % de la production électrique nationale.

💡 Astuce mémo

Cycle ouvert : déchet ultime ; cycle semi-fermé : uranium et plutonium valorisés

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des filières de réacteurs

Production électrique mondiale et française