LE NUCLEAIRE POUR L'ENERGIE ET LA SANTE : VERS UN POLE D'EXCELLENCE EN BASSE-NORMANDIE

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1 LE NUCLEAIRE POUR L'ENERGIE ET LA SANTE : VERS UN POLE D'EXCELLENCE EN BASSE-NORMANDIE RAPPORT présenté au Conseil Economique et Social Régional de Basse-Normandie par Jean CALLEWAERT Février 2009

2 R E M E R C I E M E N T S Ce présent document est l'aboutissement d'un important travail d'enquêtes et de contacts menés auprès des personnes et organismes concernés par le nucléaire aux plans national et régional. Une originalité de ce travail a consisté dans la collaboration fructueuse avec la Direction Régionale de l'industrie, de la Recherche et de l'environnement (DRIRE) de Basse-Normandie ; que son Directeur, ses services et le Cabinet Sofred chargé d'une étude sur les entreprises sous-traitantes du nucléaire soient ici remerciés. Le Rapporteur témoigne sa profonde reconnaissance à l'ensemble des personnes auditionnées ou consultées dans le cadre de cette étude et sans lesquelles cette réflexion n'aurait pu voir le jour et notamment, parmi les acteurs impliqués dans le nucléaire : - les entreprises concernées comme le siège d'areva, l'établissement AREVA NC de La Hague, le Groupe EDF, La Délégation EDF Basse et Haute-Normandie, DCNS-Cherbourg, le centre ANDRA de Digulleville, l'aisco, la SOTRABAN, la CCI de Cherbourg-Cotentin, la Coordination Grand Chantier EPR à Flamanville, Normandie Incubation, PANTECHIK SA, ELDIM, EURIDIS, l'apave en tant que délégataire de la plate-forme maîtrise d'ambiance de Cherbourg-Octeville ; - parmi le monde académique, le Rectorat de l'académie de Caen, l'université de Caen Basse-Normandie et toutes ses composantes, l'ensicaen, le Lycée de TOCQUEVILLE, l'instn de Cherbourg, l'eamea, le Centre AFPA de Cherbourg ; - concernant la recherche, le CEA et en premier lieu M. Bernard BIGOT, son Administrateur Général et toutes ses directions et laboratoires concernés, l'in2p3 du CNRS, le GANIL, CYCERON, l'ensemble des laboratoires de l'université de Caen et de l'ensicaen dont les travaux portent sur les sciences de la matière, le biomédical et les sciences humaines et sociales en relation avec le nucléaire, l'irsn, l'association ARCHADE, le CCSTI-Relais d'sciences, la Direction Régionale à la Recherche et à la Technologie, le CIRALE, le Groupe de Physique des Matériaux (INSA-Université de Rouen-CNRS). - pour le secteur de la santé, la DRASS de Basse-Normandie, le Centre de Lutte contre le Cancer François BACLESSE de Caen, le CHU de Caen ; - les institutions et organismes chargés du contrôle au premier rang desquels l'autorité de Sûreté Nucléaire et tout particulièrement la division de Caen et, au titre des associations indépendantes, l'acro ; - les organisations syndicales de salariés du nucléaire. Le Rapporteur tient à remercier les Membres des Commissions n 5 "Développement Economique - Energie" et n 6 "Enseignement Supérieur - Recherche - Prospective - Relations Internationales et Interrégionales" du Conseil Economique et Social Régional ainsi que le Groupe de Travail composé de MM. CHARLES, CORNIER, GUETIN, GUERREAU, JAMME et TORD. Enfin, il remercie Philippe HUGO, Chargé de Mission au CESR de Basse- Normandie, pour son implication passionnée dans ce dossier.

3 CESR de Basse-Normandie Le nucléaire pour l'énergie et la santé : S O M M A I R E AVANT-PROPOS... 1 INTRODUCTION... 5 I. LE CONTEXTE GENERAL ET LES ENJEUX GLOBAUX... 7 I.1. Quelques notions préalables... 7 I.1.1. Définitions et principes... 7 I.1.2. Effets biologiques des rayonnements ionisants... 9 I.2. Les principales applications du nucléaire I.2.1. Les applications énergétiques I Utiliser le principe de la fission I Le cycle amont du combustible I La production électronucléaire : une longue expérience française I L'aval du cycle : un enjeu fondamental pour le nucléaire du futur I.2.2. Les applications médicales du nucléaire I La radiothérapie face à de nouveaux défis I L'imagerie nucléaire et l'imagerie fonctionnelle au cœur de l'innovation thérapeutique I.2.3. Les autres applications du nucléaire I Les applications industrielles et agroalimentaires I La propulsion navale et les applications spatiales I Les applications dans la culture et le patrimoine I Bien d'autres applications I.3. Les principaux acteurs du Nucléaire I.3.1. Les Institutions Internationales I.3.2. Le cadre français I Les acteurs de contrôle de la sûreté nucléaire et de la radioprotection I Les Commissions Locales d'informations I Les associations indépendantes : l'exemple de l'acro I La structuration de la recherche nucléaire en France I Les exploitants I.4. Les perspectives et les enjeux I.4.1. Un défi énergétique planétaire I L'état des lieux I Répondre, demain, à des besoins énergétiques considérables I Les choix stratégiques I.4.2. La problématique des ressources en uranium face à une éventuelle croissance du nucléaire dans le monde I.4.3. Réacteurs de demain et d'après-demain I L'EPR, un réacteur évolutionnaire de troisième génération I Les perspectives ambitieuses de la quatrième génération de réacteurs : une étape vers un nucléaire durable? I ITER : exploiter, demain, l'énergie des étoiles I.4.4. Les enjeux considérables autour du démantèlement des installations nucléaires I.4.5. Les perspectives de nouvelles applications médicales I Les nouvelles applications diagnostiques pour un meilleur traitement des malades I Les nouvelles applications thérapeutiques I.4.6. Répondre, demain aux besoins importants de main d'œuvre dans le nucléaire I Le rapport du Haut Commissaire à l'energie Atomique I Des besoins considérables en radiothérapie et en médecine nucléaire II. LE NUCLEAIRE EN BASSE-NORMANDIE : SITUATION ET PERSPECTIVES II.1. Les activités économiques liées au nucléaire en Basse-Normandie II.1.1. Le pôle "nucléaire" du Nord-Cotentin II La production d'électricité à Flamanville II Le site de recyclage des combustibles nucléaires usés à La Hague II Le Centre de stockage de l'andra II DCNS, une volonté forte de développement vers la filière "nucléaire civil" II Le Grand Chantier pour la construction de la tête de série EPR à Flamanville II.1.2. Un nombre important de sous-traitants et filiales des donneurs d'ordre du nucléaire II Une forte présence des filiales du Groupe AREVA II Les sous-traitants du nucléaire ou impliqués dans l'industrie nucléaire en Basse- Normandie

4 Le nucléaire pour l'énergie et la santé : CESR de Basse-Normandie II La place des hommes au sein des activités du nucléaire : les certifications, la maîtrise d'ambiance et la sécurité au travail II.1.3. La médecine nucléaire en Basse-Normandie : état des lieux II Un plateau technique et scientifique exceptionnel II La radiothérapie en Basse-Normandie : état des lieux II.1.4. Un recensement encore partiel des activités liées au "nucléaire de proximité" II.2. La Recherche et les Plates-formes Techniques en Sciences Nucléaires en région : du vivant au monde subatomique, de la recherche amont aux applications (santé, énergie, environnement) II.2.1. Le GANIL : sonder la structure élémentaire de la matière II Plus loin dans la connaissance sur le noyau de l'atome II Les installations et équipements du GANIL II Le projet SPIRAL 2, une étape stratégique vers la machine européenne de seconde génération EURISOL II La Recherche Appliquée et l'ouverture du GANIL vers le monde industriel II.2.2. L'implication des laboratoires de recherche et des structures d'enseignement supérieur dans le nucléaire II Le Centre de Recherche sur les Ions, les Matériaux et la Photonique II Le Laboratoire de Physique Corpusculaire II Le Laboratoire de Cristallographie et Sciences des Matériaux II Le Laboratoire d Accueil en Radiobiologie avec les Ions Accélérés (LARIA) II Le Laboratoire Universitaire de Sciences Appliquées de Cherbourg-Octeville II Le Laboratoire CORRODYS et les recherches sur la biocorrosion des matériaux II Les équipes en sciences humaines et sociales impliquées dans des travaux en lien avec le nucléaire II.2.3. La recherche biomédicale autour de CYCERON à la pointe des technologies nucléaires en imagerie II Les équipements de la plate-forme CYCERON II Le Centre d'imagerie - Neurosciences et d'applications aux PathologieS (CI-NAPS) - UMR II La poursuite et l'affirmation des recherches dans le nucléaire II Les développements et valorisation autour de CYCERON dans la médecine nucléaire II De nouveaux axes de recherche prometteurs pour demain II CYCERON et les perspectives en termes de formations dans le nucléaire II.2.4. Les recherches autour de l'imagerie médicale et l'histo-imagerie quantitative au GREYC et au GRECAN II.2.5. Le Centre d'imagerie et de Recherche sur les Affections Locomotrices Equines (CIRALE) : premier site français agréé pour la scintigraphie osseuse chez le cheval II.2.6. Les structures de recherche et d'expertise dans les domaines de l'environnement, de la radioécologie, de la radioprotection et de la maîtrise d'ambiance II Le Laboratoire de Radioécologie de Cherbourg-Octeville de l'irsn II Le Centre IMOGERE de l'université de Caen Basse-Normandie II La plate-forme Maîtrise d'ambiance de Cherbourg-Octeville II.2.7. ARCHADE, le projet de centre de R&D pour l'hadronthérapie en France et en Europe II D'ASCLEPIOS II à ARCHADE II.2.8. Des collaborations prometteuses entre la Haute et la Basse-Normandie dans le nucléaire II Le Groupe de Physique des Matériaux II Les collaborations avec le projet de pôle "Energie" haut-normand II.3. Les dispositifs de formation en région autour du nucléaire : situation et perspectives II.3.1. Les filières d'ingénieurs au cœur des formations du nucléaire II L'offre de formation en sciences et technologie nucléaires de l'ensicaen II L'Ecole d'ingénieurs de Cherbourg-Octeville II.3.2. La licence-professionnelle "Maintenance en milieu nucléaire" II.3.3. Le baccalauréat professionnel "Environnement Nucléaire" II.3.4. L'Ecole des Applications Militaires de l'energie Atomique de Cherbourg-Octeville II.3.5. Les formations proposées par l'antenne de l'instn de Cherbourg-Octeville II.3.6. Le centre de formation AFPA de Cherbourg : des partenariats historiques exemplaires avec l'industrie nucléaire II Un partenariat exemplaire AFPA - AREVA NC II La reprise par l'afpa de Cherbourg des activités de formation de DCNS II Le partenariat EDF - AFPA de Cherbourg II Les autres interventions de l'afpa de Cherbourg dans le nucléaire II L'implication actuelle en faveur du Grand Chantier EPR II.3.7. La formation de Personne Compétente en Radioprotection (PCR) à l'université de Caen Basse-Normandie

5 CESR de Basse-Normandie Le nucléaire pour l'énergie et la santé : II.3.8. Des filières de formations plus "généralistes" qui répondent également aux besoins des entreprises II La filière "Sciences" à l'université de Caen II Les filières techniques en "Maintenance Industrielle", cible principale des industriels du nucléaire en région II Analyse des besoins de qualifications des entreprises II.3.9. Les filières de formation dans le biomédical en lien avec le nucléaire : des perspectives prometteuses II Les formations dans l'imagerie et les sciences du vivant II Les perspectives de développement de formations autour de la radiophysique médicale et de l'imagerie nucléaire II.4. Les enjeux autour de la culture scientifique et technique II.4.1. La sensibilisation des jeunes à la culture scientifique et technique II.4.2. Relais d'sciences, un acteur majeur en termes de compréhension et de sensibilisation des populations aux problématiques du nucléaire II.4.3. Les projets dans le Nord-Cotentin ANNEXES

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7 CESR de Basse-Normandie Le nucléaire pour l'énergie et la santé : AVANT-PROPOS La découverte de la radioactivité, à la fin du XIX ème siècle, a marqué l'histoire de l'humanité entraînant de réels bouleversements dans la compréhension de la matière. Les premières applications ciblèrent la médecine et la biologie avec la possibilité de "voir" à travers les corps et de soigner. En France, c'est en 1896 à Lyon que l'on annonça le premier traitement du cancer par rayons X. L'année suivante, le premier appareil de radioscopie fut installé dans un hôpital parisien. Ces évènements ont eu lieu avant la découverte en 1898 du radium par Pierre et Marie CURIE. Lors de la guerre , Marie CURIE qui seconde Antoine BECLERE au poste de directeur du service radiologique des armées équipe, en matériel radiologique, des automobiles appelées "petites Curie" 1. Le service des armées conçoit des unités chirurgicales mobiles qui vont directement soigner les blessés sur le front. L'évolution ne cessa pas ensuite, les dispositifs gagnant en sécurité et en protection des personnes traitées sur le plan médical ; cette problématique reste encore aujourd'hui d'actualité, d'où les enjeux importants en matière de contrôle et de radioprotection. D'autres applications du nucléaire furent développées au cours du XX ème siècle pour le meilleur comme pour le pire (bombes A et H). L'énergie nucléaire fut également exploitée dès la seconde partie du siècle dernier pour la production d'électricité. Tous les experts mondiaux s'accordent à reconnaître que l'humanité, pour survivre, va devoir faire face à plusieurs grands défis majeurs dans les décennies qui viennent. A défaut de revoir en profondeur leurs pratiques actuelles, les civilisations vont être confrontées, demain, à de réelles impasses : démographique, alimentaire, énergétique, climatique, et inévitablement économique et sociale. Depuis la révolution industrielle dans les pays développés, le niveau de vie n'a eu de cesse de progresser. Les dernières générations ont continuellement bénéficié du progrès leur permettant potentiellement de vivre mieux et plus longtemps que leurs parents et aïeux. Cette évolution peut-elle vraiment se poursuivre dans le futur ou devons-nous réellement craindre une régression de nos sociétés? Dans un contexte où les ressources de toutes sortes s'épuisent face à la pression démographique comme économique et à la croissance exponentielle que connaissent certains pays (cas de la Chine et de l'inde), l'énergie se trouve au cœur des problématiques vitales. C'est de l'énergie que dépend la survie de l'humanité, ne serait-ce qu'au niveau alimentaire avec le développement inévitable des rendements agricoles. L'accès à l'eau potable est également un autre grand défi stratégique pour demain mais, sans énergie, l'accès aux ressources ou aux méthodes de traitement sera impossible L'humanité entrevoit donc la fin d'une période où l'énergie était abondante et peu chère. Selon Jean-Marc JANCOVICI, expert spécialisé dans les domaines de 1 Source : Institut CURIE 1

8 Le nucléaire pour l'énergie et la santé : CESR de Basse-Normandie l'énergie et du climat, au cours des 100 dernières années, le prix relatif de l énergie - donc du carbone - a été divisé par 10 environ en Occident et le prix du service énergétique par 20 voire par 30. L énergie est donc devenue "quasi-invisible" dans la formation des prix. Ce schéma était "viable" tant que l'offre restait supérieure à la demande mondiale mais les perspectives d'épuisement des ressources fossiles les plus facilement exploitables comme le pétrole et le gaz rendent une telle configuration impossible demain. Certes, il sera toujours envisageable d'exploiter -mais à des coûts plus importants- des gisements pétrolifères ou d'accroître l'exploitation du charbon, ressource la plus abondante mais la plus polluante mais ceci au détriment de l'équilibre climatique de la planète. La quasi-totalité des experts mondiaux s'accordent à reconnaître les réalités des bouleversements climatiques actuels pour lesquels l'homme n'est sans doute pas étranger. En ce début du XXI ème siècle, le changement de paradigme est déjà perceptible du fait d'une offre des énergies fossiles qui peine à répondre à la demande croissante et des nécessités impérieuses de diminuer les rejets de CO 2 dans l'atmosphère. A cela se greffent également des considérations d'ordres géopolitiques qui, du fait des problématiques d'accès aux ressources, peuvent fragiliser demain l'occident. C'est dans un tel contexte qu'à côté d'une prise de conscience sur la nécessité incontestable de consacrer les moyens utiles au développement des énergies renouvelables non polluantes et de s'engager dans des politiques ambitieuses d'économies d'énergie, un grand nombre de pays (développés mais également parmi ceux qui accèdent au développement) ont opté en faveur d'une relance du nucléaire. Après une période de déclin, surtout à partir des années 90 suite au "choc" suscité par la catastrophe de Tchernobyl suivi d'un désintérêt dû à l'absence de projets nouveaux, on assiste depuis ces dernières années à une relance du nucléaire dans le monde avec des projets de nouvelles générations de réacteurs plus sécurisants, plus économes en ressources et limitant la production de déchets très problématiques. Les avancées de la recherche en la matière (avec la fusion) laissent même espérer, à plus longue échéance, une énergie inépuisable et plus "propre" Bien entendu, le nucléaire qui ne représente aujourd'hui que 6,4 % de la production d'énergie primaire mondiale ne pourra à lui tout seul résoudre, loin s'en faut, l'équation énergétique ; il ne représentera que l'un des maillons du "Mix" énergétique de demain même si l'on constate actuellement sa relance mondiale. La France est l'une des nations au monde qui s'est le plus engagée en faveur du nucléaire. La relance mondiale des programmes va nécessiter la mobilisation des compétences les plus pointues en la matière au niveau international. Les accords de coopération conclus ces derniers mois dans le nucléaire civil entre la France et bon nombre de pays comme la Chine, l'inde, le Maroc, la Libye, l'algérie, le Qatar, l'afrique du Sud, les Emirats Arabes Unis ouvrent de nouvelles perspectives de développement pour un secteur industriel qui emploie directement plus de personnes au plan national. 2

9 CESR de Basse-Normandie Le nucléaire pour l'énergie et la santé : La Basse-Normandie représente l'une des régions françaises où l'activité autour du nucléaire est la plus importante avec une forte concentration d'activités et de compétences dans le Nord-Cotentin. Le nouveau contexte de reprise laisse augurer des perspectives de développement au niveau industriel nécessitant des besoins nouveaux considérables dans la formation et la recherche. Partant du constat des choix fondamentaux de société qui ont été faits en faveur de la relance du nucléaire civil dans le monde, la Basse-Normandie qui présente des atouts majeurs dans les domaines de l'industrie, de la formation et de la recherche a toute vocation à s'organiser pour tirer profit de la croissance attendue. A l'heure où des secteurs industriels dans laquelle la région se distingue (automobile, microélectronique ) risquent d'être fortement touchés par la crise économique mondiale actuelle, il paraissait légitime au CESR de consacrer une étude consacrée à ce thème d'avenir. 3

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11 CESR de Basse-Normandie Le nucléaire pour l'énergie et la santé : INTRODUCTION Le nucléaire n'est pas sans soulever des débats voire susciter des interrogations légitimes dans le public. Il fait peur du fait notamment de ses applications militaires (les bombardements d'hiroshima et de Nagasaki restent profondément ancrés dans les esprits) ou des conséquences d'accidents graves intervenus au cours des dernières décennies (Three Miles Island, Tchernobyl ). Les acteurs du nucléaire civil doivent avoir bien conscience que c'est une activité sensible dont les efforts en termes de transparence, de sécurité, de radioprotection et de maîtrise des risques se doivent d'être permanents. Mais le nucléaire civil ne se limite pas au seul secteur de l'énergie, même si cette activité, par les moyens consacrés et l'activité générée, apparaît prédominante. Le nucléaire est, depuis plus d'un siècle, utilisé pour diagnostiquer et pour soigner des affections qui ne pourraient, sinon, être traitées. Dans le contexte actuel de relance du nucléaire civil dans le monde et d'avancées scientifiques majeures dans le secteur de la santé ayant des effets majeurs dans le développement de l'humanité du fait des progrès qui en découlent, il paraissait tout à fait justifié au Conseil Economique et Social Régional de réaliser une étude sur la situation et les perspectives des activités autour du nucléaire dans laquelle la Basse-Normandie se distingue tout particulièrement au niveau national. C'est pourquoi l'approche retenue du CESR a été d'intégrer à la réflexion toutes les applications du nucléaire dans laquelle notre région est reconnue pour ses compétences comme la recherche fondamentale et appliquée autour de la physique nucléaire -dont Caen est l'un des pôles mondiaux reconnu- ou encore les applications biomédicales dans le domaine diagnostic (imagerie nucléaire) et thérapeutique (radiothérapie). La démarche retenue par le Conseil Economique et Social Régional a donc consisté à réaliser une étude "filière" mettant en avant les potentiels régionaux et les perspectives d'avenir dans les secteurs concernés. L'objet final de ce rapport est d'étudier, au regard de l'inventaire des forces en présence, si la fédération des acteurs peut susciter la constitution d'un pôle d'excellence reconnu. Le but recherché consiste donc à étudier les conditions d'un rapprochement durable entre les différentes "familles" d'activités en région qui n'ont, à ce jour, pas ou peu de relations entre elles (secteurs de l'énergie, de la recherche, du nucléaire médical, etc.). Il convient de souligner que la présente étude analysant les potentiels régionaux sur la base du triptyque industrie - formation - recherche n'a volontairement pas ou peu traité des éléments concernant les dispositifs de prévention des risques industriels ou environnementaux. Sur ces points, une étude du CESR est en cours sur la thématique "des risques technologiques majeurs en Basse-Normandie" qui consacrera un développement spécifique aux activités autour du nucléaire. Enfin, il convient de signaler que le présent rapport a été réalisé en parfaite coordination et complémentarité avec une démarche initiée parallèlement par la Direction Régionale de l'industrie, de la Recherche et de l'environnement (DRIRE) 5

12 Le nucléaire pour l'énergie et la santé : CESR de Basse-Normandie qui a confié, en septembre 2007, au cabinet Sofred Consultants la réalisation d'une étude sectorielle de la filière nucléaire industrielle en Basse-Normandie. Cette étude très pointue met notamment l'accent sur l'état des savoir-faire industriels autour du nucléaire et la situation des entreprises sous-traitantes. De cette approche a été décliné un objectif opérationnel de soutien à la filière par l'identification d'actions à mettre en œuvre permettant de mieux anticiper les mutations industrielles et économiques des entreprises régionales afin d'assurer la pérennisation et le développement de la filière. Cette démarche rigoureuse réalisée par des experts n'a pu qu'enrichir la réflexion menée, conjointement, par le CESR dont le présent rapport reprendra des éléments fondamentaux. Ainsi, dans le présent rapport, une première partie est consacrée successivement au champ de l'étude, aux différentes applications du nucléaire, au contexte général et aux enjeux en présence : technologiques, scientifiques, économiques, éducatifs Cette partie d'ordre générale a été souhaitée dans un double objectif. Il s'agissait tout d'abord de faire de ce rapport un document de référence qui présente les principaux enjeux actuels et futurs. Par ailleurs, la volonté était également de réaliser un ouvrage pédagogique présentant, en des termes simples, les différentes technologies et applications du nucléaire. Puis, un second volet est spécifiquement dédié à la Basse-Normandie dans lequel il s'agissait de mettre en évidence, à travers les principaux domaines d'applications, les potentiels existants et les spécificités de la région dans ce secteur en termes de formations, de recherches fondamentales comme appliquées et d'activités industrielles. 6

13 CESR de Basse-Normandie Le nucléaire pour l'énergie et la santé : I. LE CONTEXTE GENERAL ET LES ENJEUX GLOBAUX I.1. QUELQUES NOTIONS PREALABLES I.1.1. Définitions et principes Le nucléaire regroupe toutes les activités et tous les usages qui exploitent les effets consécutifs à des événements qui se déroulent au cœur de l'atome et qui sont, plus précisément, liés à la transformation de son noyau. Outre le fait qu'elle peut être provoquée par un évènement extérieur, cette transformation vient d'abord du fait que la matière n'est pas toujours immuable et certains atomes sont capables de changer de nature, de masse et de propriétés physiques. Il fallut attendre 1913 pour que Niels BOHR découvre que les noyaux des atomes et non les atomes eux-mêmes sont responsables de la radioactivité, découverte 17 ans plus tôt par Henri BECQUEREL. En fait, certains atomes sont naturellement instables du fait d'un excès soit de protons, soit de neutrons, ou encore d'un excès des deux 2. La seule manière pour eux de retrouver l'équilibre est de se transformer, de transmuter en se débarrassant de l'excès d'énergie qu'ils contiennent par émission de particules ou de rayonnements électromagnétiques. La radioactivité est, selon le physicien Etienne KLEIN "le moyen qu'ont trouvé les noyaux pour évacuer leur trop-plein d'énergie nucléaire" 3. Tout est ainsi une question de transfert d'"énergies" dans le sens global du terme. Une question de forces A l'échelle nucléaire deux forces fondamentales sont à l'œuvre : Tout d'abord, l'interaction forte permet la cohésion des particules constitutives du noyau atomique en liant les protons et les neutrons 4 entre eux. Si cette interaction n'existait pas, les noyaux ne pourraient pas être stables et seraient dissociés sous l'effet de la répulsion électrostatique des protons entre eux. L'interaction faible est responsable de la radioactivité bêta (cf. ci après). C'est une force qui agit sur toutes les particules. Citons également, à l'échelle atomique (et non nucléaire!), une troisième force : l'interaction électromagnétique qui permet aussi la cohésion des atomes en liant les électrons et le noyau des atomes. Cette interaction peut, dans certaines conditions, créer des ondes électromagnétiques, parmi lesquelles on distingue la lumière, les ondes radio, les ondes radar, les rayons X, les rayons gamma... Source : D'après document IN2P Ils sont alors dits radioactifs et dénommés radio-isotopes ou radionucléides. Etienne KLEIN, Directeur du LARSIM (Laboratoire de Recherches sur les Sciences de la Matière) au CEA, in "les secrets de la matière", Plon, janvier Appelés nucléons. 7

14 Le nucléaire pour l'énergie et la santé : CESR de Basse-Normandie Parallèlement aux radio-isotopes 5 naturels tels que l'uranium 238 ou encore le potassium 40, il est possible de produire de tels éléments radioactifs de manière artificielle au moyen d'un accélérateur ou d'un réacteur nucléaire, activité à la base de nombreuses applications (énergie, imagerie médicale, médecine nucléaire ). Il existe trois types de radioactivité dénommés par les lettres de l'alphabet grec : alpha (α), bêta (β) et gamma (γ). Lorsqu'un noyau est trop lourd car excessivement chargé en protons et en neutrons, il évacue son excès d'énergie par l'émission d'un noyau d'hélium constitué de deux protons et de deux neutrons fortement liés appelé particule alpha (α). Une feuille de papier suffit à l'arrêter. Un noyau cette fois-ci trop riche en neutrons par rapport au nombre de protons transforme, pour retrouver l'équilibre, l'un de ses neutrons en proton. Cette désintégration du neutron appelée radioactivité bêta moins (β-) est l'émission d'un électron et d'un antineutrino accompagnant la transformation d'un neutron en proton. Une feuille d'aluminium de quelques millimètres permet de l'arrêter. La radioactivité bêta plus (β+), son contraire, est la transformation d'un proton en neutron avec émission d'un positon et d'un neutrino 6. A la suite d'une émission alpha ou bêta, lorsque la désintégration du noyau de départ n'a pas permis l'évacuation de son trop-plein d'énergie, intervient alors la radioactivité gamma (γ) qui consiste en l'émission, par certains noyaux, d'un rayonnement de même nature que la lumière (donc électromagnétique) mais de très haute énergie. Celui-ci a un grand pouvoir de pénétration. Seule une forte épaisseur de plomb ou de béton atténue sa propagation. Les rayons X découverts dès 1895 par le physicien allemand Wilhelm RÖNTGEN relèvent également d'un rayonnement électromagnétique. La distinction entre les rayons X et les rayons gamma vient de leur différence d'énergie : les rayons X sont des photons produits par les électrons des atomes alors que les rayons gamma, plus énergétiques, sont produits par les noyaux des atomes. Les rayons X sont un rayonnement électromagnétique comme les ondes radio, la lumière visible ou les rayons infrarouge. Ils peuvent être produits de deux manières : par des changements d'orbite d'électrons provenant des couches électroniques ou par accélération, freinage, changement de trajectoire des électrons. Tous ces rayonnements issus de transmissions d'énergie sous forme électromagnétique ou corpusculaire sont dits ionisants 7. Cette radioactivité qui peut tuer le vivant peut également soigner et guérir ou encore prémunir des contaminations bactériologiques On appelle "isotopes" des atomes ayant le même nombre de protons et un nombre différent de neutrons. Le neutrino est une particule de masse infime qui n'interagit quasiment pas avec la matière. Difficilement détectables, les neutrinos (tels ceux émis par le Soleil) traversent tous les corps y compris la Terre de part en part sans même dévier de trajectoire. Un ion est un atome qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons et qui se trouve ainsi électriquement chargé positivement (cation) ou négativement (anion). 8

15 CESR de Basse-Normandie Le nucléaire pour l'énergie et la santé : I.1.2. Effets biologiques des rayonnements ionisants 8 Les rayonnements ionisants (ou radiations ionisantes) sont des rayonnements électromagnétiques (gamma, rayons X) ou des rayonnements particulaires (bêta, alpha, neutrons, protons ) ayant une énergie associée supérieure à 10 électronvolts (niveau d énergie minimal pour arracher un électron à la matière irradiée). Le qualificatif "ionisant" est important car il souligne que, directement ou indirectement, ce sont les ionisations ainsi créées dans la matière qui seront à la base même des dégâts biologiques observés. Ces radiations agissent sur le vivant à travers deux modes d action : - l effet direct qui se traduit par des ruptures dans les liaisons covalentes, ce qui signifie qu elles "cassent" des molécules qui perdent alors leur activité biologique. Ainsi de telles cassures sur des molécules d ADN conduiront soit à des altérations de gènes, soit à des délétions ou aberrations chromosomiques (pouvant entraîner la mort de la cellule) ; - l effet indirect qui conduit à la production de radicaux libres (espèces chimiquement toxiques) à partir de la radiolyse de molécules d eau (le constituant majeur de tout élément vivant). L action prépondérante de ces espèces radicalaires sur l ADN constituera des lésions chimiques potentiellement mutagènes et/ou cancérogènes. Selon ces deux modes d action, une cellule vivante ne peut être altérée que si elle est la cible même de l action de radiations. Au cours de la dernière décennie, des travaux importants en radiobiologie ont contribué à des avancées dans la compréhension de ces phénomènes. En effet, des développements biotechnologiques ont permis de mettre en évidence des lésions radio-induites au sein de cellules voisines non irradiées (effet bystander) ou dans la descendance d une cellule irradiée mais non affectée (instabilité génomique). Ces travaux constituent actuellement un réel engouement en matière de recherche. Les rayonnements ionisants agissent au hasard. Aussi, au sein d une cellule, toute molécule peut être la cible de leur action. Cependant, en raison du rôle central du patrimoine génétique dans le fonctionnement cellulaire, les lésions portées sur l ADN seront responsables de l essentiel des dégâts biologiques observés. Ils induisent dans la matière irradiée des événements initiaux (ionisations, excitations) pratiquement instantanés (de l'ordre de seconde) mais dont les conséquences pathologiques éventuelles peuvent n'apparaître que plusieurs années ou décennies plus tard (risque cancérogène), voire dans la descendance (risque génétique). Certes, des mécanismes de réparation existent et une cellule altérée peut "se débarrasser" d anomalies radio-induites. Dans d autres situations, l anomalie n est pas réparée ou elle est mal réparée, ce qui conduira à une cellule toujours vivante mais comportant une (ou des) mutation(s) susceptible(s) de s exprimer tardivement : risque de cancers ou d effets génétiques qui définissent les "effets stochastiques". Enfin, lorsque les doses sont élevées, les dégâts induits dans une cellule sont tels qu ils entraînent la mort de la cellule par nécrose. Quand, dans un tissu ou organe, 8 Rédaction issue d'une aimable contribution du Dr Pierre BARBEY - Université de Caen Basse- Normandie. 9

16 Le nucléaire pour l'énergie et la santé : CESR de Basse-Normandie un grand nombre de cellules sont ainsi atteintes, c est le tissu même ou l organe qui est alors gravement affecté : on parle alors d "effets déterministes". Dans le champ de la radioprotection, les limites d exposition aux rayonnements ionisants qui sont établies sur le plan réglementaire ont pour objet : - d empêcher toute apparition d effets déterministes car il s agit d effets "à seuil" (et les limites sont fixées en-dessous de ces seuils) ; - de limiter à un niveau jugé "acceptable" (mais cela fait débat) les risques d effets stochastiques car actuellement les instances internationales (Commission Internationale de Protection Radiologique -CIPR-, Biological Effects of Ionizing Radiation -BEIR- Comité de l'académie Nationale des Sciences des Etats-Unis, United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation - UNSCEAR- ) admettent qu ici la relation "dose/effet" est de type "linéaire et sans seuil". I.2. LES PRINCIPALES APPLICATIONS DU NUCLEAIRE Les forces en présence dans le noyau de l'atome peuvent être utilisées pour de nombreuses applications civiles. La première application la plus évidente concerne la production d'énergie consommable pour répondre aux besoins des populations et de leurs activités mais elle n'est pas la seule. L'énergie nucléaire est aussi utilisée pour diagnostiquer et guérir des affections et participe par exemple à la lutte contre le cancer. D'autres utilisations du nucléaire au plan industriel ou au niveau de la recherche seront également largement développées dans le cours du présent rapport. I.2.1. Les applications énergétiques I Utiliser le principe de la fission Au cœur de l'atome, les forces de liaison du noyau sont considérables. Une partie de cette énergie peut être libérée à deux occasions : - lorsque deux noyaux légers fusionnent pour faire un noyau moyen, c'est la fusion thermonucléaire, l'énergie des étoiles, Réaction de fusion 10

17 CESR de Basse-Normandie Le nucléaire pour l'énergie et la santé : - lorsque l'on réussit à casser un noyau lourd en fragments plus petits, c'est la fission. Réaction de fission En attendant les avancées espérées du projet ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) à Cadarache, seule la seconde voie est, pour l'heure, maîtrisée par l'homme et donc utilisée pour ses besoins énergétiques depuis plus de cinquante ans 9. Le mécanisme consiste à bombarder un noyau fissile avec un neutron libre dont il provoque l'éclatement en deux fragments. Sont ainsi libérés plusieurs neutrons en même temps qu'une grande quantité d'énergie. Les neutrons expulsés peuvent, à leur tour, aller fissionner un autre noyau et ainsi de suite. C'est la réaction en chaîne. Le seul noyau fissile (i.e. élément apte à subir la fission) existant à l'état naturel est l'isotope 10 de l'uranium de masse 235 mais celui-ci ne constitue que 0,7 % de l'uranium des ressources minières, ce qui rend les phases d'enrichissement nécessaires (entre 3,5 et 5 %) pour fonctionner dans les réacteurs actuels. En revanche, lorsqu'un autre isotope naturel de l'uranium, l'uranium 238 capture au sein des réacteurs un neutron 11, il se transforme en plutonium 239 (principe de la transmutation) qui, lui, est fissile. On dit alors que l'uranium 238 est fertile, comme tout noyau qui, en absorbant un neutron, devient fissile. Un autre isotope naturel, le thorium 232, peut se transformer en un isotope fissile : l'uranium 233. Au sein des centrales nucléaires actuelles, la réaction déclenchée volontairement est amenée puis entretenue au niveau voulu de puissance. Elle peutêtre modulée voire arrêtée en contrôlant à tout moment la population de neutrons. Pour réaliser efficacement la fission du noyau, il est nécessaire d'abaisser la vitesse des neutrons de km/seconde à environ 2 km/seconde. Des éléments modérateurs qui doivent contenir des noyaux aussi légers que possible sont alors utilisés comme l'eau ordinaire, le graphite ou l'eau lourde. Dans le cas des réacteurs 9 C'est en 1951 que la première centrale nucléaire fut mise en service aux Etats-Unis. 10 Les isotopes sont des atomes qui présentent le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons. Ainsi, les isotopes de l'hydrogène sont l'hydrogène léger (dont le noyau contient 1 seul proton), l'hydrogène lourd ou deutérium (1 proton et 1 neutron) et le tritium (1 proton et deux neutrons). 11 Plus précisément, le neutron capturé est converti en proton. La capture de neutrons est suivie de deux désintégrations bêta rapides qui conduisent au Plutonium

18 Le nucléaire pour l'énergie et la santé : CESR de Basse-Normandie dits à eau pressurisée, cette dernière qui traverse le cœur possède ainsi le double rôle d'élément modérateur et de fluide caloporteur. Cette technologie qui régule la vitesse des neutrons est dite à neutrons thermiques ; en d'autres termes, au sein des réacteurs actuels de seconde génération et ceux de troisième génération (de type EPR par exemple) qui vont entrer en service dans les prochaines années, les neutrons sont en équilibre thermique avec la matière. Le contrôle de la réaction en chaîne est en outre assuré en introduisant ou en retirant des "poisons", sous forme de barres de commandes au sein du combustible, contenant des éléments tels que le bore, le cadmium, le hafnium ou gadolinium dotés d'un pouvoir élevé de capture des neutrons sans produire de fission. Lors de la réaction, l'énergie libérée sous forme de chaleur est récupérée par un fluide caloporteur (qui peut être liquide ou gazeux selon le type de réacteur) permettant d'alimenter un circuit primaire. Le type de fluide caloporteur détermine aujourd'hui la filière de réacteur nucléaire. C'est la filière de réacteur à eau légère qui est la plus répandue au monde. Selon l'agence de l'ocde pour l'energie Nucléaire, 80 % des réacteurs de puissance en service début 2003 étaient refroidis et modérés à l'eau ordinaire. Cette filière se divise en deux groupes principaux : les Réacteurs à Eau Pressurisée (REP) et les Réacteurs à Eau Bouillante (REB) que l'on trouve principalement au Japon, aux Etats-Unis et en Allemagne. Schéma d'un réacteur à eau pressurisée Source : AREVA 12

19 CESR de Basse-Normandie Le nucléaire pour l'énergie et la santé : Au sein des REP qui constituent aujourd'hui la totalité du parc électronucléaire français, l'eau pressurisée du circuit primaire transmet sa chaleur, via un échangeur, à l'eau circulant dans un autre circuit fermé dit secondaire. Au contact des tubes parcourus par l'eau du circuit primaire, l'eau du circuit secondaire s'échauffe à son tour et se transforme en vapeur. Cette vapeur fait tourner la turbine entraînant l'alternateur qui produit l'électricité. Après son passage dans la turbine responsable de la production d'électricité, la vapeur est refroidie, condensée en eau et renvoyée vers le générateur de vapeur pour un nouveau cycle. Pour que le système fonctionne en continu, il faut assurer son refroidissement. C'est le but d'un troisième circuit indépendant des deux autres, le circuit de refroidissement dont la fonction est de condenser la vapeur sortant de la turbine. Pour cela est aménagé un condenseur, appareil formé de milliers de tubes dans lesquels circule de l'eau froide prélevée à une source extérieure : fleuve avec aéroréfrigérant ou mer. Au contact de ces tubes, la vapeur se condense pour se transformer en eau. Les autres filières qui composent les 20 % de réacteurs restants dans le monde sont les réacteurs à eau lourde sous pression, filière dans laquelle s'est engagée très tôt le Canada, et les réacteurs refroidis au gaz (dioxyde de carbone) utilisant le graphite comme modérateur, tous situés au Royaume-Uni (réacteur MAGNOX devant son nom à l'alliage de magnésium utilisé pour le gainage des éléments combustibles utilisant de l'uranium naturel et réacteur AGR -Advanced Gas-Cooled Reactor- qui consomme de l'uranium enrichi). Citons également la filière des réacteurs de forte puissance (RBMK) qui utilise l'eau ordinaire comme réfrigérant et le graphite comme modérateur rendu tristement célèbre par la catastrophe de Tchernobyl en Enfin la filière des réacteurs surgénérateurs à neutrons rapides (ainsi dénommés car les neutrons ne sont plus ralentis) vers laquelle certains pays comme la France s'étaient engagés a été quasiment abandonnée avant de renaître depuis peu parmi les technologies possibles de futurs réacteurs de quatrième génération sur lesquels nous reviendrons. I Le cycle amont du combustible Les ressources d'uranium sont assez équitablement réparties sur la planète. Parmi les plus gros producteurs, on peut citer l'australie, le Kazakhstan, le Canada, le Niger, les Etats-Unis, l'afrique du Sud, la Namibie, le Brésil Après extraction, les blocs de minerai sont concassés, finement broyés et font l'objet d'un traitement chimique pour obtenir un concentré sous forme d'une poudre jaune appelée "yellowcake". Mais, comme l'uranium naturel est inutilisable dans la plupart des centrales nucléaires actuelles, il faut l'enrichir grâce à des traitements physiques (diffusion gazeuse, centrifugation) afin d'augmenter la proportion de noyaux fissiles d'uranium 235. Un kilogramme d'uranium enrichi à 3 % peut fournir autant d'énergie que 80 tonnes de charbon. A l'issue de ce processus d'enrichissement, la poudre d'uranium obtenue est alors fortement comprimée afin d'obtenir des pastilles cylindriques d'un centimètre de long 12. Ces pastilles sont ensuite cuites ou "frittées" à une température de degrés. Les pastilles sont introduites dans des tubes métalliques pour 12 Cf. infographie du cycle du combustible en annexe n 1. 13

20 Le nucléaire pour l'énergie et la santé : CESR de Basse-Normandie constituer des crayons (environ 300 pastilles dans un crayon). Les crayons étanches sont alors assemblés dans des structures métalliques formant une armature rigide. Le tout constitue le combustible nucléaire (264 crayons dans un assemblage de combustible de type REP 17x17) prêt à être introduit dans la cuve du réacteur où il y restera pendant 3 à 4 ans. Le combustible utilisé dans le cœur des réacteurs est composé de 3 à 5 % d'uranium 235 et de 95 à 97 % d'uranium 238. Au bout de quatre années environ d'utilisation, le combustible contient encore de l'uranium 235 et de l'uranium 238 mais également du plutonium et des déchets dont des éléments, produits de fission et actinides mineurs, très radioactifs sur lesquels nous reviendrons. I La production électronucléaire : une longue expérience française C'est en 1945, sous l'impulsion du Général de GAULLE, qu'a été créé le Commissariat à l'energie Atomique (CEA) dans le but d'engager des "recherches scientifiques et techniques en vue de l utilisation de l énergie nucléaire dans les domaines de la science, de l industrie et de la défense nationale" (article premier du décret du 18 octobre 1945 portant création du CEA). Trois ans plus tard entrera en fonctionnement la première pile ZOE, huit ans après la pile de FERMI. Et c'est le 28 septembre 1956 que le premier kwh nucléaire est produit à Marcoule. La France se lançait ainsi dans un programme nucléaire basé sur l'utilisation de l'uranium naturel, ne disposant pas encore, comme aux Etats-Unis, de la maîtrise des filières reposant sur l'uranium enrichi. La première centrale construite par EDF sur le site de Chinon constitua la tête de série de la filière des réacteurs à Uranium Naturel, Graphite et Gaz carbonique (UNGG) 13 que l'on assimile à la première génération de réacteurs. En 1970, grâce à la maîtrise par le CEA de l'enrichissement de l'uranium, la France a pris la décision d'abandonner la filière graphite-gaz au profit de celle, développée aux Etats-Unis, des réacteurs à eau sous pression testée dès 1967 en partenariat avec la Belgique à Chooz. Avant de s'engager dans cette technologie, sous licence Westinghouse, d'autres types de réacteurs avaient été expérimentés comme la centrale modérée à l'eau lourde et refroidie au gaz carbonique installée en Bretagne sur le site des Monts d'arrée (Brennilis) et qui a fonctionné entre 1967 et De même, la France s'est engagée en faveur de la recherche autour des réacteurs surgénérateurs qui présentent la caractéristique d'être très économes en combustible puisqu'ils produisent plus d'éléments fissiles qu'ils n'en consomment. Depuis 1973, le CEA et EDF exploitent près de Marcoule le réacteur surgénérateur à neutrons rapides Phénix, de 250 MWe 14. Par ailleurs, Superphénix, prototype de surgénérateur de MWe a été exploité de 1985 jusqu'à 1997 à Creys-Malville. Cette technologie revient au goût du jour dans le cadre du consortium mondial qui s'est constitué autour des projets de réacteurs de IV ème génération (cf. infra). 13 Bien que baptisée à l'époque de "filière française", cette famille de réacteurs était fort voisine au départ de celle des MAGNOX britanniques. 14 Le terme technique "watt électrique" (symbole : We) correspond à la production de puissance électrique. Ses multiples sont le Mégawatt électrique (MWe) et le Gigawatt électrique (GWe). 14