La recherche de sources d'énergie fiables, à grande échelle et à faible intensité de carbone s'est intensifiée, tandis que l'énergie nucléaire, qui était à l'écart de nombreux débats nationaux sur l'énergie, a connu une résurgence notable. Elle est aujourd'hui l'un des outils les plus puissants et les plus débattus pour décarboniser les réseaux électriques à grande échelle. La physique fondamentale de la fission nucléaire offre une source d'énergie uniquement concentrée : une seule boule d'uranium contient autant d'énergie qu'une tonne de charbon, sans émissions équivalentes de dioxyde de carbone en cours d'exploitation.

La crise climatique actuelle exige une approche de portefeuille, où toutes les technologies à faible émission de carbone disponibles sont optimisées. L'énergie solaire et éolienne ont connu une baisse spectaculaire des coûts et une croissance du déploiement, mais elles demeurent des ressources intermittentes, dépendantes des conditions météorologiques, qui nécessitent un important stockage de l'énergie ou une production de secours pour maintenir la stabilité du réseau. L'énergie nucléaire fournit une électricité ferme et à charge de base qui peut fonctionner à des facteurs de capacité élevés – souvent supérieurs à 90 % – peu importe le moment de la journée, la saison ou les conditions météorologiques.

L'impératif de la puissance de base sans carbone

La demande doit être compensée par l'offre instantanée et les conséquences de la défaillance vont des pannes localisées aux pannes régionales en cascade. Les sources d'énergie renouvelables sont essentielles à tout réseau décarboné, mais leur production variable crée de nouveaux défis pour les opérateurs du système. Lorsque le vent ne souffle pas ou que le soleil ne brille pas pendant de longues périodes – pendant les tempêtes hivernales, la couverture nuageuse prolongée ou les événements de blocage atmosphérique – quelque chose doit combler l'écart. Les batteries peuvent bien gérer les fluctuations de courte durée, mais le stockage d'énergie de longue durée rentable à l'échelle de la térawattheure demeure un problème technique et économique non résolu.

Un réacteur de 1 000 mégawatts peut alimenter environ 800 000 habitations en continu, produisant de l'électricité 24 heures sur 24, indépendamment des conditions extérieures. Comparativement au cycle de vie, y compris l'exploitation minière, la construction, l'exploitation et le déclassement, l'énergie nucléaire produit des émissions de dioxyde de carbone d'environ 12 grammes par kilowattheure, comparables au vent et nettement inférieures aux systèmes photovoltaïques solaires lorsqu'ils tiennent compte des émissions de fabrication.

Plusieurs pays ont reconnu cette valeur. La France tire environ 70% de son électricité des réacteurs nucléaires, ce qui donne l'une des plus faibles empreintes carbone par habitant parmi les pays industrialisés. En 2022, l'Union européenne a officiellement qualifié l'énergie nucléaire d'activité durable [ alignée sur la taxonomie, reconnaissant son rôle dans l'atténuation des changements climatiques.

Facteurs de capacité et intégration du réseau

Le facteur de capacité — le rapport de la puissance électrique réelle sur une période donnée par rapport à la puissance maximale possible — est une mesure critique pour toute source d'énergie. Les centrales nucléaires atteignent généralement des facteurs de capacité entre 90 % et 94 %, ce qui signifie qu'elles fonctionnent à pleine puissance ou presque pendant la grande majorité de l'année, ne se réservant que pour le ravitaillement et l'entretien prévus tous les 18 à 24 mois. En comparaison, les éoliennes terrestres ont une moyenne de 35 à 40 % des facteurs de capacité à l'échelle mondiale, alors que la puissance solaire photovoltaïque moyenne est d'environ 15 à 25 % selon la géographie.

L'intégration de fortes pénétrations d'énergies renouvelables variables dans les centrales nucléaires crée des complexités opérationnelles. Historiquement, les réacteurs nucléaires ont été conçus pour fonctionner en régime stationnaire, ajuster lentement la puissance de production, voire plus. Cependant, les conceptions et les procédures d'exploitation modernes des réacteurs ont rendu plus faisables les manoeuvres de puissance et le suivi de la charge. Certains réacteurs à eau légère existants peuvent réduire la production à 20-40 % de la capacité nominale pour pouvoir produire des énergies renouvelables excédentaires, prévenir la réduction et préserver la valeur économique.

Défis persistants et voie à suivre pour y parvenir

Malgré ses mérites techniques, l'énergie nucléaire est confrontée à des obstacles redoutables qui ont historiquement limité sa croissance, qui ne sont pas seulement techniques mais qui englobent des dimensions économiques, réglementaires, sociales et géopolitiques.

Sécurité et perception des risques

L'ombre de Tchernobyl et Fukushima pèse lourdement sur l'industrie nucléaire, qui, séparés par un quart de siècle, sont le résultat de combinaisons spécifiques de déficiences de conception des réacteurs, d'erreurs d'opérateurs et de défaillances institutionnelles. Les rejets catastrophiques de matières radioactives ont entraîné une contamination généralisée, des évacuations forcées et une surveillance sanitaire à long terme des populations touchées.

L'industrie a réagi en développant des systèmes de sécurité avancés qui réduisent fondamentalement la probabilité et les conséquences d'accidents graves.Les caractéristiques de sécurité passive—qui dépendent de forces naturelles comme la gravité, la convection et l'évaporation plutôt que de pompes actives et de générateurs de secours—sont désormais standard dans les conceptions modernes.Ces systèmes peuvent refroidir le cœur du réacteur pendant des jours sans intervention de l'opérateur ou sans puissance externe, réduisant de façon spectaculaire le risque de fusion.

L'Agence internationale de l'énergie atomique procède à des examens par les pairs des programmes de réglementation des États membres et des normes de sûreté mises à jour[ reflètent les leçons tirées des incidents passés. Les nouveaux réacteurs sont soumis à des processus d'autorisation pluriannuels rigoureux, qui comprennent des évaluations probabilistes des risques, des analyses d'accidents graves et des évaluations sismiques.

Gestion des déchets radioactifs

La question de savoir ce qu'il faut faire du combustible nucléaire usé — et de la catégorie plus large des déchets radioactifs — demeure l'un des problèmes les plus difficiles à résoudre dans l'industrie. Les déchets de haute activité, principalement sous forme d'assemblages de combustible usé retirés des réacteurs, contiennent des produits de fission qui restent dangereux pendant des milliers d'années.

La Finlande est devenue un leader mondial de la gestion des déchets avec le dépôt de combustibles usés Onkalo, construit au fond du substratum cristallin d'Olkiluoto. L'installation, qui a commencé la construction en 2004 et devrait commencer les opérations dans les années 2020, encapsulera le combustible usé dans des conteneurs de cuivre entourés d'argile bentonite, emplacé dans des tunnels à environ 400 mètres de fond. Cette approche dépôt géologique, où les déchets sont isolés de la biosphère pour des échelles géologiques, est la solution acceptée au niveau international par des organismes scientifiques dont les Académies nationales des sciences. La Suède, la France et la Suisse progressent dans des projets similaires, alors que les États-Unis n'ont pas encore établi de stratégie d'élimination permanente après l'annulation du projet de Yucca Mountain en 2010.

Les réacteurs à neutrons rapides peuvent brûler des éléments transuraniques, qui sont les composants à vie longue du combustible usé, et les transformer en produits de fission à vie courte.Cette approche pourrait réduire la radiotoxicité des déchets à haute teneur de plus de 90 % et raccourcir sa durée de vie de centaines de milliers d'années à environ 300 ans. Les cycles de combustible fermés, où le combustible usé est retransformé pour récupérer l'uranium et le plutonium aux fins de réutilisation, sont pratiqués en France et au Japon et pourraient réduire davantage les volumes de déchets tout en utilisant davantage d'énergie contenue dans le combustible à uranium d'origine.

Viabilité économique et coûts de construction

Les grands projets de réacteurs à eau légère ont constamment dépassé les budgets et les délais, l'expansion de Vogtle en Géorgie, les premiers réacteurs homologués aux États-Unis depuis trois décennies, coûtant plus du double de son estimation initiale de 14 milliards de dollars et de ses années de retard. De même, le réacteur Olkiluoto 3 en Finlande est entré en exploitation commerciale en 2023 après près de deux décennies de construction, avec des coûts qui s'élèvent à environ 11 milliards d'euros.

D'abord, la longue période d'approbation réglementaire et de construction, qui dure de 10 à 15 ans, qui va de la délivrance de permis à l'exploitation, expose les projets à des changements dans les conditions du marché, les taux d'intérêt et les priorités politiques. Deuxièmement, les conceptions de premier plan font face à des courbes d'apprentissage inévitables et à des perturbations de la chaîne d'approvisionnement qui ne sont résolues qu'après des constructions répétées.

L'industrie nucléaire tente de briser ce cycle par la normalisation et la fabrication d'usines. La conception de l'usine de Barakah, qui utilise des réacteurs APR1400, a été achevée dans les délais et dans les limites du budget, ce qui a permis de réaliser un coût en capital d'environ 5 000 $ par kilowatt au jour le jour, ce qui laisse supposer que les grands réacteurs peuvent être construits de façon concurrentielle avec la maturité de la conception, l'expérience des effectifs et la cohérence des cadres réglementaires.

Néanmoins, dans de nombreux marchés de l'électricité, les nouvelles centrales nucléaires font face à une concurrence forte de la part des centrales au gaz naturel à cycle combiné et, de plus en plus, des installations solaires et éoliennes. Les analyses des coûts de l'énergie ont régulièrement été effectuées à des prix de 30 à 60 $ par mégawattheure, tandis que les nouvelles centrales nucléaires tombent généralement entre 100 et 150 $ par mégawattheure. Toutefois, ces comparaisons excluent souvent les coûts d'intégration des systèmes, les dépenses liées à la production de secours, aux améliorations des transmissions et à la réduction des émissions qui deviennent importantes à des pénétrations élevées de sources renouvelables.

Les mesures prises par le gouvernement ont inclus une série de mécanismes pour soutenir l'investissement nucléaire.Les crédits d'impôt à la production, les garanties de prêt et les structures tarifaires réglementées offrent une certitude en matière de revenus aux promoteurs.La loi américaine de 2022 sur la réduction de l'inflation prévoit un crédit d'impôt à la production de 15 $ par mégawattheure pour les centrales nucléaires existantes et de 30 $ par mégawattheure pour les nouveaux réacteurs avancés, ce qui améliore considérablement leurs perspectives économiques.

Perception publique et licence sociale

Dans les pays ayant récemment connu des accidents, comme le Japon et l'Allemagne, l'opposition publique a été intense et soutenue. Dans d'autres, notamment la Finlande, la France et les Émirats arabes unis, le nucléaire jouit d'une large acceptation comme une composante nécessaire du mix énergétique. La plus jeune génération d'adultes, ayant grandi avec le changement climatique comme la question environnementale de leur temps, considère souvent l'énergie nucléaire plus favorablement que leurs parents, reconnaissant ses compétences en matière de faible intensité de carbone même tout en reconnaissant ses risques.

Pour obtenir une licence sociale pour de nouveaux projets nucléaires, il faut une communication transparente, un engagement communautaire significatif et des avantages tangibles pour les communautés d'accueil.Les promoteurs offrent de plus en plus d'accords de partage des avantages, de garanties d'emploi locales et d'investissements dans les infrastructures communautaires.La dimension de justice environnementale est également essentielle : les installations nucléaires ne doivent pas imposer de charges disproportionnées aux communautés marginalisées et les avantages de l'énergie propre doivent être équitablement répartis.

De nombreuses organisations environnementales restent profondément sceptiques ou carrément opposées à l'énergie nucléaire.Le Sierra Club, Greenpeace et d'autres préconisent un système d'énergie renouvelable à 100 %, au motif que l'énergie nucléaire comporte des risques inacceptables et détourne les ressources de solutions renouvelables plus rapides et moins coûteuses. D'autres, dont James Hansen, ancien climatologue de la NASA et pionnier des sciences du climat, affirment que le rejet de l'énergie nucléaire rend les objectifs climatiques plus difficiles à atteindre et, en fin de compte, accroît la dépendance à l'égard des combustibles fossiles.

Les technologies nucléaires avancées et leur promesse

La prochaine génération de réacteurs nucléaires vise à remédier aux limites des conceptions actuelles par l'innovation technique.Ces réacteurs avancés se répartissent en plusieurs catégories, chacune visant des améliorations spécifiques dans les coûts, la sûreté, l'efficacité, la réduction des déchets ou la flexibilité de l'application.

Petits réacteurs modulaires

Les petits réacteurs modulaires (RMR) représentent la catégorie la plus avancée commercialement de la technologie nucléaire de prochaine génération. Définies comme réacteurs dont la puissance électrique est inférieure à 300 mégawatts par unité, les RMR sont conçus pour être construits en usine et transportés vers les sites, ce qui réduit le risque de construction et l'incertitude de calendrier.

La logique économique des RMS repose sur la fabrication en série. En construisant des dizaines ou des centaines d'unités identiques dans des usines centralisées, les promoteurs prévoient que les effets d'apprentissage et d'échelle entraîneront des coûts au fil du temps, semblables à la trajectoire vécue par les panneaux solaires et les aéronefs. La flexibilité de l'emplacement réduit également les besoins en infrastructure, car les RMS peuvent être refroidis par air et nécessiter de plus petites zones de planification d'urgence.

Les critiques notent que les RMS font face à leurs propres défis économiques.La taille plus petite des unités signifie que le coût par kilowatt des premières unités sera plus élevé que les grands réacteurs, et il reste incertain si la production en série peut atteindre la parité des coûts avec des solutions de rechange. De plus, les RMS partagent bon nombre des processus réglementaires et de délivrance de licences qui ajoutent des coûts aux grands réacteurs, limitant leur avantage initial en matière de coûts. Néanmoins, plusieurs projets de démonstration avancent, et les premiers déploiements commerciaux sont attendus à la fin des années 2020 et au début des années 2030.

Réacteurs de la génération IV

Le Forum international de la génération IV, un consortium de 13 pays, a identifié six technologies de réacteurs destinées à offrir des améliorations significatives par rapport aux conceptions précédentes, notamment le réacteur à très haute température, qui peut fonctionner à des températures supérieures à 900 degrés Celsius, permettant une production efficace d'hydrogène et des applications industrielles de chaleur; le réacteur à gaz rapide, qui utilise un liquide de refroidissement à l'hélium et peut recycler le combustible usé tout en brûlant des actinides à longue durée de vie; et le réacteur à sel fondu, où le combustible est dissous dans du fluorure liquide ou du sel de chlorure, ce qui permet des caractéristiques de sécurité inhérentes et un ravitaillement en ligne.

Plusieurs modèles de la génération IV ont été mis en évidence à l'échelle des prototypes et un déploiement commercial est prévu dans les années 2030. Le réacteur Natrium, développé par TerraPower et financé en partie par le département américain de l'Énergie, combine un réacteur rapide refroidi au sodium avec un système de stockage thermique de sel fondu, lui permettant de varier la production entre 50 % et 500 % de la capacité nominale pendant de courtes périodes.

Les programmes chinois et russes font également progresser les réacteurs refroidis au gaz à haute température et les réacteurs rapides, avec plusieurs prototypes opérationnels déjà en ligne. L'usine de démonstration HTR-PM à Shandong, en Chine, a commencé à fonctionner commercialement en 2022, produisant de la vapeur à 750 degrés Celsius et démontrant des caractéristiques de sécurité inhérentes qui excluent la possibilité de fusion de cœur.

Fusion nucléaire et Horizons à long terme

La fusion nucléaire, processus qui alimente le soleil, représente le prix ultime de la production d'énergie. Les réactions de fusion ne produisent pas de déchets radioactifs à longue durée de vie, ne comportent aucun risque de réactions en chaîne de fuite et dépendent de combustibles abondants (deutérium et lithium).

Le projet ITER dans le sud de la France, une collaboration de 35 pays, vise à démontrer la puissance de fusion à 500 mégawatts thermiques d'ici la fin des années 2030. Des entreprises privées, dont Commonwealth Fusion Systems, Helion Energy et TAE Technologies, poursuivent des approches alternatives avec des délais plus courts, certaines démonstrations ciblées d'ici le début des années 2030. En 2022, la National Ignition Facility at Lawrence Livermore National Laboratory a réalisé pour la première fois un gain énergétique net de fusion dans un laboratoire, bien qu'à une échelle loin de la viabilité commerciale.

Malgré ces progrès, la fusion commerciale reste probablement à quatre décennies ou plus du mieux. Les usines de fusion feraient face à de nombreux défis réglementaires, d'implantation et de coût identiques à ceux des usines de fission, et la transition de la percée physique à une centrale électrique fiable est longue et incertaine. La fusion devrait être poursuivie comme option à long terme, mais elle ne peut pas contribuer de façon significative à des objectifs climatiques à court terme qui nécessitent un déploiement à l'échelle dans les deux prochaines décennies.

Cadres politiques et coopération internationale

Contrairement aux sources d'énergie qui peuvent être étendues par des processus purement axés sur le marché, le déploiement nucléaire exige une stabilité réglementaire à long terme, des cadres de responsabilité, des solutions de gestion des déchets et souvent un soutien financier direct.

La coopération internationale joue un rôle essentiel dans la sûreté et la non-prolifération nucléaires. L'AIEA élabore des normes de sûreté, procède à des examens par les pairs et fournit une assistance technique aux États membres.Le Groupe des fournisseurs nucléaires coordonne les contrôles à l'exportation des technologies sensibles pour prévenir leur utilisation abusive à des fins d'armes.

Plusieurs pays ont intégré explicitement l'énergie nucléaire dans leurs contributions déterminées au niveau national au titre de l'Accord de Paris. Les Émirats arabes unis, la Corée du Sud et la France ont inclus les centrales nucléaires dans leurs engagements de réduction des émissions. Le Royaume-Uni a créé un modèle de financement par le biais du mécanisme de base d'actifs réglementés qui répartit les coûts de construction au fil du temps, réduisant ainsi les charges de financement à l'avance.

Aux États-Unis, le gouvernement fédéral a pris plusieurs mesures pour prolonger la durée de vie opérationnelle des réacteurs existants et soutenir de nouveaux projets de pointe. Le programme de crédit nucléaire civil, financé par la loi sur l'infrastructure bipartite, fournit un soutien financier aux réacteurs économiquement vulnérables qui risquent de se fermer prématurément.

Intégration stratégique avec les énergies renouvelables

Les configurations hybrides qui combinent la charge de base nucléaire et la production solaire et éolienne, soutenues par l'énergie hydroélectrique ou le stockage de batteries, peuvent fournir à la fois une faible puissance carbone et une flexibilité opérationnelle. Dans un tel système, les centrales nucléaires fonctionnent à pleine puissance ou presque lorsque les énergies renouvelables sont rares et réduisent la production lorsque la production solaire et éolienne est abondante, minimisant ainsi la réduction et maximisant la valeur de chaque technologie.

Outre la production d'électricité, les centrales nucléaires peuvent soutenir la décarbonisation d'autres secteurs.Les réacteurs à haute température peuvent fournir de la chaleur de procédé pour des applications industrielles telles que la fabrication d'acier, la production de ciment et la fabrication de produits chimiques.La production d'hydrogène nucléaire par électrolyse ou par cycles thermochimiques offre une voie pour décarboniser le transport, la synthèse d'ammoniac et d'autres secteurs difficiles à électrifier.Les centrales de cogénération qui produisent à la fois de l'électricité et de la chaleur atteignent des rendements thermiques supérieurs à 80% et peuvent déplacer l'utilisation de combustibles fossiles dans les réseaux de chauffage urbain, une stratégie commune en Finlande, en Suisse et en Russie.

Dans les régions où les ressources solaires et éoliennes sont excellentes et où le potentiel de stockage de l'énergie est abondant, un système à prédominance renouvelable peut être le moyen le moins coûteux de parvenir à zéro émission. Dans les régions où les ressources renouvelables sont limitées, où la densité de population est élevée ou où l'infrastructure nucléaire est existante, un rôle nucléaire élargi peut être optimal.

Conclusions et voie à suivre

L'énergie nucléaire occupe une position complexe mais potentiellement importante dans les stratégies d'atténuation des changements climatiques. Sa capacité à fournir une électricité à grande échelle, fiable et sans carbone est prouvée et inégalée par toute autre technologie.Les réacteurs existants empêchent déjà l'émission annuelle d'environ deux milliards de tonnes de dioxyde de carbone à l'échelle mondiale et l'expansion de la capacité nucléaire pourrait multiplier cette contribution de façon significative.

Si la génération actuelle de réacteurs avancés — réacteurs rapides, réacteurs rapides et systèmes à haute température — peut démontrer une viabilité commerciale crédible, l'énergie nucléaire pourrait être une solution climatique de pointe. Si ces technologies ne parviennent pas à respecter leurs promesses de coûts et de calendrier, le nucléaire peut rester un facteur de niche, déployé uniquement dans des pays à capacité d'État exceptionnelle et à engagement politique à long terme.

Les décideurs politiques doivent résister à la tentation de faire de l'énergie nucléaire un test d'orthodoxie climatique, pour ou contre. La crise climatique exige le déploiement agressif de tous les outils disponibles, et la pureté idéologique ne sert ni la réduction des émissions ni la sécurité énergétique. Des approches pragmatiques qui évaluent l'énergie nucléaire sur ses mérites – ses avantages carbone, ses coûts, ses risques et son potentiel – produiront de meilleurs résultats que l'acceptation inconditionnelle ou le rejet absolu.