Le nucléaire civil et militaire, deux frères ?

L’objet de ce billet est des plus simples… La réponse ne le sera pas tant. Comment répondre à l’affirmation suivante et ses dérivés : « le nucléaire, c’est la bombe ».

1.  Introduction

Ce n’est pas anodin comme question, parce que, d’expérience, c’est un argument qui revient encore aujourd’hui… Et pas si rarement. Certes, il ne pèse pas grand-chose à côté de « le nucléaire, c’est les déchets pour des millions d’années ». Mais on l’entend toujours, et beaucoup trop pour quelque chose d’aussi faux. De plus, l’opposition au nucléaire militaire (et surtout ses essais), c’est la raison d’être originelle de Greenpeace, qui depuis, s’est reconverti dans la lutte contre le nucléaire civil, pour continuer à exister. C’est pourquoi il me paraît important de rappeler que, en France (je vais parler un peu d’autres pays, mais comme d’hab, je vais surtout me centrer sur le cas français), les deux sont très dissociés. Et surtout, important d’expliquer pourquoi.

Notez qu’il n’est pas question de nier les liens historiques très forts entre le nucléaire civil et le militaire en France. Je vais parler de la situation présente, celle qui fait que les discours antis des années 60-70 ne sont plus valables… Même s’ils le furent.

2.  Les origines du nucléaire civil français

Avant tout, je vous invite à lire ce thread qui présente bien cette proximité historique, avec la construction des premiers réacteurs électrogènes français, les G, à Marcoule.

Des réacteurs de type « uranium naturel, graphite et gaz » (UNGG), avant tout pensés pour produire du plutonium à des fins militaires. Le premier réacteur G consommait d’ailleurs plus d’électricité qu’il n’en produisait, c’est dire si cette fonction était accessoire !

Et pour aller plus loin sur la technologie de ces réacteurs, je vous propose ce thread, un peu plus velu :

Du coup, c’est acté : les premiers réacteurs électronucléaires français, exploités par le CEA, avaient un but militaire. Et les premiers réacteurs d’EDF étaient de la même technologie UNGG.

En parallèle des réacteurs se développait le retraitement du combustible usé, et on va l’expliquer car ça nous sera incontournable par la suite.

3.  Notion d’isotopie

Reprenons la base, avec la notion d’isotope : le noyau d’atome est composé de protons, chargés positivement, et de neutrons qui sont, comme leur nom l’indique, neutres électriquement.

Le nombre de protons va définir la nature de l’atome dont on parle. Un proton, et on est sur de l’hydrogène. Deux protons, de l’hélium. 26 protons, du fer. 92 protons, de l’uranium.

Et puis le nombre de neutrons va, lui, être variable. Deux atomes de même nature (même nombre de protons) mais de nombre de neutrons différents vont être appelés isotopes.

Par exemple, le noyau de l’atome d’hydrogène est généralement composé d’un proton épicétou. Mais il existe une fraction de l’hydrogène naturel dont le noyau comporte un proton (forcément) et un neutron. On va parler « d’hydrogène 2 » ou plus couramment de deutérium.

Il existe également un isotope comportant un proton et DEUX neutrons. 1+2=3, c’est de l’hydrogène 3 ou… Le fameux « tritium ». Bon, dans le cas de l’hydrogène il y a des noms donnés aux isotopes, mais c’est une exception.

Autre exemple, l’uranium. Lui, dans la nature, comporte 92 protons (sinon ça ne serait pas de l’uranium) et en général 146 neutrons. 92+146 = 238, c’est l’« uranium 238 ». Il existe dans la nature un autre isotope, plus rare, avec 143 neutrons. 92+143=235, c’est l’uranium 235.

À noter que le nombre de neutrons peut affecter la stabilité du noyau. Pour revenir à l’hydrogène, 0 ou 1 neutron, pas de souci. Mais 2 neutrons, c’est trop, ça rend le noyau instable, il se désintègre après un certain temps, c’est ce qu’on appelle la radioactivité.

Pour certains atomes, comme l’uranium, il n’existe aucun isotope stable : le noyau finit toujours par se désintégrer, mais plus ou moins vite. L’uranium 235 se désintègre plus vite (car lui compte trop PEU de neutrons) que l’uranium 238.

4.  Production du plutonium

Revenons à nos UNGG. L’uranium naturel qu’on utilise dans les UNGG, il est composé en gros à 99,3% d’uranium 238 et 0,7% d’uranium 235. C’est ce dernier qui est fissile, assure la réaction en chaîne.

En revanche, l’uranium 238 n’est pas complètement inerte non plus. Et il a notamment la manie d’absorber une faible partie des neutrons produits par la fission de l’uranium 235. Et quand un noyau d’uranium 238 absorbe un neutron, il devient alors uranium 239. Logique.

Ce dernier est cependant très instable (demi-vie de 23,5 minutes), et en se désintégrant, il devient du neptunium 239. Qui est lui-même à peine moins instable (demi-vie de 2,4 jours) et se désintègre donc rapidement en plutonium 239.

Le plutonium 239, il est cool. Pour les militaires, en tout cas. Il est fissile, très réactif, donc permet de faire des bombes de qualitay. Il se désintègre très lentement (demi-vie de 24 000 ans), et sa radioactivité purement α est facile à arrêter, donc il n’est pas (trop) compliqué à manipuler.

Par contre, ce plutonium 239, si on le laisse dans un réacteur nucléaire, il va aussi avoir tendance à absorber des neutrons, comme le faisait son ancêtre l’uranium 238. Et quand il absorbe un neutron, il peut se passer deux choses :

  • Soit il fissionne, en produisant de l’énergie et en contribuant à la réaction en chaîne. Du coup il est perdu, mais il a servi a quelque chose.
  • Soit il ne fissionne pas, et devient plutonium 240.

Le plutonium 240 a une demi-vie assez longue (6 500 ans) et n’est pas fissile, c’est un peu naze. Et, problème majeur, il a un peu tendance à la fission spontanée. C’est-à-dire qu’il fissionne tout seul, sans besoin de rencontrer un neutron. Ce qui peut contribuer à rendre les bombes légèrement instables.

Enfin, ce plutonium 240 peut lui-même absorber des neutrons et devenir du plutonium 241. Ce dernier est un peu fissile, mais surtout, il est très instable, avec une demi-vie d’à peine 14,3 ans : trop long pour juste attendre qu’il disparaisse, mais assez court pour gêner. Il gène parce qu’il se désintègre en émettant des rayons γ qui ne se stoppent pas facilement, donc compliquent la manipulation du plutonium, qui en contient. De plus, en désintégrant, le plutonium 241 se transforme en américium 241, qui absorbe beaucoup les neutrons et étouffe la réaction en chaîne.

Bref, vous l’aurez compris, le seul isotope du plutonium qui vaille le coup, c’est le plutonium 239. Mais quand on produit le plutonium dans un réacteur, il va se produire d’abord sous cette forme 239, puis une partie va évoluer en 240, et une partie de cette partie en 241 et même 242.

5.  Vecteur isotopique

Le résultat, c’est que vous avez, après un passage en réacteur, un mix de tous ces isotopes (et d’autres). Avec, par exemple :

IsotopePourcentage
Plutonium 23954%
Plutonium 24025%
Plutonium 24113%
Plutonium 2428%

Ceci est ce qu’on appelle un « vecteur isotopique » du plutonium.

Cet exemple-là, c’est du plutonium un peu pourri : on se doute que pour un bon plutonium dit « de qualité militaire », un bon vecteur isotopique doit être le plus proche possible du 100% plutonium 239. Et surtout éviter le plutonium 240 (qui fissionne tout seul).

Il se dit que la qualité militaire doit comporter moins de 7% de l’isotope 240, voire moins de 4%. Et comment optimiser notre vecteur isotopique ?

C’est « simple » : il faut laisser le réacteur transformer l’uranium 238 en plutonium 239, comme on l’a expliqué précédemment, mais récupérer ce plutonium, le sortir du réacteur, avant qu’il ait eu le temps de se transformer en plutonium 240 (et au-delà).

Et c’est là que les UNGG sont sympathiques, tout comme les réacteurs soviétiques RBMK (type Tchernobyl), britanniques type AGR et MAGNOX et les CANDU canadiens… Ces réacteurs permettent de fonctionner à l’uranium naturel, donc avec un max d’uranium 238, et de sortir un élément combustible sans arrêter le réacteur.

Pas de réacteur à arrêter, à dépressuriser, de cuve à ouvrir… Chaque tronçon de combustible est dans une enceinte indépendante des autres, et peut donc être retiré, remplacé, mis de côté après un très faible temps de séjour en réacteur, et sans arrêter le réacteur.

6.  Différentes filières de réacteurs

Et il est venu le temps de comparer ça aux réacteurs qui font 90% du parc mondial et 100% du parc français actuel : les réacteurs à eau légère : réacteurs à eau pressurisée (REP) et à eau bouillante (REB). Un billet sur les différentes filières de réacteurs est trouvable à ce lien.

REP et REB ont été pensés avant tout pour la production d’énergie. Entre autres, on leur demande de tirer un maximum d’énergie de chaque kilogramme d’uranium qu’on leur fournit.

En conséquence, le combustible passe beaucoup de temps en réacteur, et le plutonium qui est produit a donc un vecteur isotopique tout pourri. C’est le vecteur isotopique que je donnais en exemple dans le tableau précédent.

Quant à se dire « même avec un REP ou REB, il suffit de passer moins de temps en réacteur pour améliorer le vecteur isotopique », c’est pas si simple : dépressuriser et ouvrir une cuve, abaisser la température de tout le circuit primaire, ça prend des jours, et même chose dans le sens inverse.

Donc le réacteur passerait quasiment tout son temps à l’arrêt : déjà, c’est une perte d’argent énorme et surtout, ça produirait extrêmement peu de plutonium.

7.  Synthèse sur la production de plutonium

Voilà l’essentiel de ce qu’il faut retenir de ce billet. Le vecteur isotopique du plutonium produit dans les réacteurs à eau légère comme 90% du parc mondial ne permet pas de faire des armes nucléaires.

Si les premiers réacteurs étaient conçus pour produire du plutonium de qualité militaire, ce n’est plus d’actualité en France depuis la fin des années 70 avec le lancement du programme de réacteurs à eau pressurisée ; c’est le gros schisme entre filières civile et militaire.

8.  Aspect retraitement

D’ailleurs, ça s’est observé au niveau de l’industrie du retraitement du combustible usé. Pour rappel, quand on sort le combustible nucléaire du réacteur, il y a évidemment du plutonium sous tous ses isotopes, mais ça représente une toute petite fraction du combustible.

Il y a également une fraction plus importante de produits de fission, des éléments extrêmement radioactifs de toutes natures (beaucoup de « métaux de transition » comme disent les chimistes) qui n’ont d’autre destinée que de partir aux déchets. Et surtout, l’énorme majorité du combustible usé est composé de l’uranium qui n’a pas fissionné, et puis de toutes les structures qui font le combustible.

Le retraitement sert à séparer tout ça. Extraire le plutonium d’un côté, l’uranium de l’autre, et conditionner le reste pour en faire des déchets. Et ce retraitement a commencé à Marcoule, dans l’usine UP1, aux côtés des réacteurs plutonigènes G.

L’usine de Marcoule a eu une jumelle à la Hague, UP2 (renommée plus tard UP2-400, 400 étant le tonnage annuel de combustible qu’elle pouvait retraiter). Et ces deux usines avaient un but militaire très clair : extraire le plutonium pour la bombe.

Mais avec le déploiement de la filière REP, UP2-400 a dû être modifiée pour gérer du combustible REP… Puis UP1 et UP2-400 ont été tout simplement remplacées par UP2‑800 et UP3, quasi-intégralement dédiées au combustible REP/REB (et un peu de combustible de réacteurs de recherche).

C’était la fin du retraitement militaire. Mais comme on souhaitait pérenniser l’industrie du retraitement, fleuron national, et qu’on ne voulait pas juste accumuler du plutonium de basse qualité, on lui a trouvé un usage civil.

C’est ainsi que l’usine Mélox vit le jour, à Marcoule encore, pour produire le MOx, du combustible nucléaire pour REP/REB fait à partir de plutonium extrait du retraitement, et d’uranium appauvri. Les débuts du recyclage du combustible nucléaire.

9.  L’enrichissement de l’uranium

À ce stade, nous avons largement écumé les questions du retraitement, de l’historique, et de la filière plutonium. Mais le plutonium n’est pas le seul point de contact entre nucléaire civil et militaire. Notamment, les armes nucléaires peuvent aussi fonctionner à l’uranium… Enrichi. Très enrichi.

Les filières UNGG ne nécessitaient pas, à l’origine, d’enrichir l’uranium. Donc le développement de l’enrichissement en France s’est fait, là encore, à des fins exclusivement militaires.

C’est plus tard, avec le programme de construction de REP à la fin des années 70, qu’il a fallu enrichir l’uranium pour en faire du combustible nucléaire. Et si les militaires et la recherche consommaient déjà de l’uranium enrichi à plus de 90% d’uranium 235, la filière REP demandait du… 3 à 5% seulement.

Donc l’enrichissement, qu’il soit par la très peu discrète et extrêmement énergivore technologie de diffusion gazeuse, ou par la beaucoup plus dissimulable technologie d’ultracentrifugation (bien plus récente), c’est une technologie militaire qui a servi ensuite au civil.

10.              Propulsion navale

Finissons avec un détour par la propulsion nucléaire navale. Parce que le nucléaire, c’est l’Arme, mais c’est aussi ça : mouvoir bâtiments de surface et de subsurface avec un maximum d’autonomie et, éventuellement, de discrétion.

L’idée a surtout été portée par la filière des sous-marins : discrétion, autonomie / volume des réserves de carburant, pas besoin d’air pour la propulsion… Les intérêts étaient évidents.

Mais un sous-marin, c’est très limité en espace. Et aux débuts du nucléaire français, on ne savait pas enrichir l’uranium : les seuls réacteurs envisageables étaient au graphite et/ou à l’eau lourde, des designs de cœurs hélas très volumineux…

Le premier projet français, le Q.244, fut d’ailleurs très tôt reconnu comme un échec, et le sous-marin fut pendant sa construction réorienté vers la propulsion conventionnelle.

Non, pas le choix, il fallait pouvoir enrichir l’uranium. Et une fois cette technologie maîtrisée avec des taux d’enrichissement élevés, la porte était grande ouverte pour les réacteurs à eau pressurisée.

Ils étaient compacts, pouvaient rapidement faire varier leur puissance et n’étaient quasiment pas dérangés par une inclinaison de la plateforme dans un sens ou dans l’autre, donc ne restreignaient pas la manœuvrabilité du soum.

Des réacteurs à eau bouillante auraient manqué de ce dernier avantage :  dans un REB, l’eau passe de l’état liquide à gazeux non pas dans un circuit secondaire, mais directement dans le cœur. Il existe donc une surface libre, une séparation entre eau liquide et milieu vapeur. Surface libre qui aurait été toujours horizontale alors que le reste du cœur s’incline avec les mouvements du sous-marin… ça aurait été très compliqué en termes de thermohydraulique et de neutronique.

Le premier réacteur à eau pressurisée français fût donc le PAT, le Prototype À Terre (prototype de chaufferie navale, donc), à Cadarache, à la main du CEA, et de sa filiale d’alors, Technicatome. En revanche, à ma connaissance, le réacteur naval conçu par le CEA n’a pas servi à la filière civile.

PAT

En effet, les REP construits par EDF l’ont été à partir d’une licence achetée aux USA (Westinghouse). J’ignore toutefois si Westinghouse a développé son design à partir de technologies militaires ou purement civiles.

Précisons que, depuis, les réacteurs navals ont gagné en compacité en intégrant le générateur de vapeur au-dessus de la cuve. Concept que l’on retrouve aujourd’hui… Dans les SMR, les « small modular reactors » qui se développent actuellement, pour la filière civile 🙂

Chaudière compacte

11.              Conclusion

Récapitulons :

  • L’enrichissement s’est développé d’abord pour l’Arme et la propulsion
  • Le retraitement est une technologie purement militaire à la base
  • Les premiers réacteurs électrogènes étaient à vocation militaire
  • Les réacteurs actuels produisent un plutonium dont le vecteur isotopique est incompatible avec la fabrication d’armes
  • Ils ne permettent pas d’extraire le plutonium sans arrêter le réacteur pendant des jours
  • Les militaires ont développé le réacteur à eau pressurisée avant le civil
  • La propulsion navale exploite déjà des réacteurs qui rappellent les futurs SMR

S’il y a un constat à tirer de tout ça… C’est que, hier comme aujourd’hui, entre civil et militaire, on a non pas une intrication… Mais plutôt un apport unidirectionnel.

Le militaire a abreuvé le civil de technologies, tandis que l’inverse est assez rare – le civil a, par contre, permis d’amortir le coût de développement de certaines technologies développées à but militaire.

Par cet aspect, l’histoire du nucléaire rappelle énormément, je trouve, celle du spatial.

Néanmoins, de nombreux pays ont développé des filières nucléaires civiles sans avoir le besoin d’une filière militaire (Allemagne, Corée du Sud, Belgique, Suisse…). Ils empêchent de tirer la conclusion (peu importe ce qu’on voudrait lui faire dire) « le nucléaire civil n’existerait pas sans la bombe ».

L’exemple le plus marquant est, je trouve, le Canada, avec leurs réacteurs autochtones CANDU (là où beaucoup de pays ont développé des filières civiles sur la base de technologies fournies par des pays militarisés).

Les exemples dans l’autre sens, c’est-à-dire de pays qui n’ont développé que le nucléaire militaire, sans chercher à développer une filière civile, sont plus rares. En vérité, je n’en vois que deux : la Corée du Nord et Israël.

Quant à savoir si le « le civil ne sert que de prétexte à faire des bombes », une attaque encore excessivement courante et pourtant très vintage dans sa conception, vous comprenez à présent que la réponse est, sans équivoque, NON.

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