Le 1er réacteur surgénérateur produit de l’électricité
En cette période où certains réclament “vertement” la fin de l’électricité nucléaire, rares sont ceux qui se souviennent de son début. C’était le 20 décembre 1951, à Arco dans l’Idaho, aux États-Unis. Ce jour-là, les Américains testent le premier réacteur en lui faisant alimenter quatre lampes. Dans la foulée, comme ce test est concluant, ils branchent ce réacteur sur le réseau électrique d’Arco, qui compte environ 1000 habitants.
Experimental Breeder Reactor (EBR) 
Dans un premier temps, l’EBR 1 a permis d’éclairer et de fournir en énergie le site de recherche lui-même, tout en avançant dans la mise au point d’une première centrale nucléaire civile américaine. Il a été fermé en 1966 pour devenir un Musée inauguré par le Président Lyndon Johnson, dans lequel le public peut découvrir gratuitement d’autres applications de l’énergie nucléaire à leurs débuts, tels que trois autres réacteurs nucléaires, deux prototypes d’avions à propulsion nucléaire et des moyens de détection et de contrôle des radiations. La version 2 du même type de réacteur allait être développée pour permettre la production de près de 20% de l’électricité consommée aux Etats-Unis, jusqu’en 1994. En 2017, les américains testent plusieurs modèles de réacteurs nucléaires.
Le 1er réacteur surgénérateur produit de l’électricité, 20 décembre 1951
Avez-vous déjà vu un réacteur nucléaire ? Vous êtes-vous déjà demandé comment l’électricité est produite à partir de l’énergie nucléaire ? Assouvissez votre curiosité en visitant le musée atomique EBR-I, situé sur l’US Highway 20/26 entre Idaho Falls et Arco.
Le musée comprend également des expositions interactives colorées qui racontent l’histoire du frère d’EBR-I, le réacteur surgénérateur expérimental n° 2 (EBR-II), le réacteur qui alimentait autrefois une grande partie du site, fonctionnait avec un nouveau cycle de combustible fermé et a démontré son sécurité inhérente. Vous pouvez vous promener dans le musée en suivant les instructions de visite autoguidée, ou faire une visite guidée avec l’un des guides touristiques de la saison estivale.
Le 20 décembre 1951, EBR-I est devenue la première centrale électrique à produire de l’électricité à l’aide de l’énergie atomique.
EBR-I a été le premier réacteur construit dans l’Idaho à la National Reactor Testing Station (précurseur de l’INL d’aujourd’hui)
En 1953, des essais à l’EBR-I ont confirmé qu’un réacteur pouvait créer (ou produire) plus de combustible qu’il n’en consomme.
Ce réacteur pionnier a fonctionné pendant 12 ans avant d’être arrêté pour la dernière fois en décembre 1963.
Le président Lyndon Johnson a consacré EBR-I comme monument historique national en 1966.
20 décembre 1951 : Première électricité produite par l’énergie atomique
S’il arrivait que l’on traverse le haut désert de l’est de l’Idaho, on pourrait tomber sur ce qu’on appelle maintenant le Laboratoire national de l’Idaho, une installation fédérale de recherche nucléaire qui a joué un rôle clé dans le développement de l’énergie nucléaire. Il abrite l’Experimental Breeder Reactor-I (EBR-I) déclassé, le premier réacteur nucléaire à produire de l’électricité utilisable par fission. L’homme responsable de sa conception et de son fonctionnement était un physicien canadien du nom de Walter Henry Zinn.
Né à Berlin (aujourd’hui Kitchener), en Ontario, en 1906, Zinn était le fils d’un ouvrier d’usine de pneus. Alors que son frère aîné, Albert, a suivi les traces de leur père, le jeune Walter a montré un vif intérêt et des aptitudes pour les mathématiques et les sciences. Après avoir obtenu un diplôme en mathématiques de l’Université Queens, il a travaillé pour une compagnie d’assurance, puis a terminé son doctorat en physique à l’Université de Columbia avec une thèse sur la structure et la largeur des limites d’absorption des rayons X dans les cristaux. Il a soutenu ses études en enseignant dans les deux écoles et il a rejoint la faculté du City College de New York en 1932.
En 1939, Zinn se retrouva à travailler avec Enrico Fermi, entre autres, aux Pupin Physics Laboratories de Columbia, recherchant les propriétés des isotopes de l’uranium et l’utilité potentielle de l’élément pour le processus de fission nucléaire récemment découvert, en particulier s’il devrait être possible d’obtenir une réaction en chaîne durable. Avec le déclenchement de la Seconde Guerre mondiale et le lancement du projet top secret Manhattan pour développer une bombe atomique, Zinn a suivi Fermi à l’Université de Chicago pour poursuivre son travail.
Zinn était sur place pour la première réaction nucléaire en chaîne le 2 décembre 1942, réalisée dans un court de squash abandonné à l’université. Son travail consistait à retirer la barre de contrôle de la pile pour démarrer la réaction en chaîne, et également à réinsérer cette barre de contrôle après 28 minutes. Il se tenait prêt avec une tige de sécurité d’urgence de repli, si la pile devenait trop «chaude» et que la tige de commande conçue pour arrêter automatiquement une réaction en chaîne incontrôlable tombait en panne. Chicago Pile-1 n’a duré que trois mois, car il manquait de bouclier anti-rayonnement et était jugé trop proche de la ville densément peuplée en cas d’accident nucléaire. Au lieu de cela, il a été démonté et remonté – cette fois avec un écran anti-rayonnement – à un endroit proche appelé « Site A », qui serait ensuite déplacé vers un nouveau « Site D » à huit kilomètres de là et deviendrait le Laboratoire national d’Argonne.
Zinn est resté sur le projet Manhattan jusqu’en 1946, lorsque la Commission de l’énergie atomique l’a nommé directeur d’Argonne, désormais réorienté pour se concentrer principalement sur les problèmes liés au développement futur du réacteur. Sous sa direction, Argonne a continué à développer plusieurs conceptions de réacteurs innovantes, passant d’un petit groupe de recherche en temps de guerre à un centre internationalement reconnu pour la R&D sur les réacteurs nucléaires et les sciences connexes. Alvin Weinberg, directeur du laboratoire national d’Oak Ridge pendant la même période, a un jour décrit Zinn comme « un modèle de ce que devrait être un directeur des laboratoires nationaux alors émergents : sensible aux aspirations à la fois de l’entrepreneur et du bailleur de fonds, mais suffisamment confiant pour prévaloir quand cela était nécessaire.
En plus de ses responsabilités de directeur, Zinn souhaitait développer une conception de réacteur surgénérateur rapide, baptisé Critical Pile-4, ou « ZIP », pour « Zinn’s Infernal Pile » (les réacteurs surgénérateurs peuvent créer plus de combustible nucléaire qu’ils n’en consomment).
Lorsque ZIP fut prêt, Zinn déplaça l’assemblage vers ce qui était alors la National Reactor Testing Station dans l’Idaho, un nouvel avant-poste d’Argonne, où il fut surnommé EBR-I. Le 20 décembre 1951, Zinn et son équipe se sont réunis autour d’un réseau de quatre ampoules de 200 watts dans le laboratoire et les ont regardées s’allumer au fur et à mesure que l’électricité leur parvenait – l’électricité produite par le réacteur EBR-I. En quelques jours, le réacteur a pu alimenter l’ensemble du bâtiment du laboratoire, démontrant que l’énergie nucléaire pouvait être une source d’énergie alternative économiquement viable : une tonne d’uranium naturel peut produire autant d’électricité que la combustion de 80 000 barils de pétrole, soit 16 000 tonnes de charbon. Deux ans plus tard, des expériences ont montré qu’EBR-I produisait effectivement un nouveau carburant. Une usine de réacteurs à proximité,
Au cours de la première décennie des réacteurs nucléaires expérimentaux, il y a eu de graves accidents nucléaires, dont un mortel. Par exemple, Zinn a supervisé le test BORAX-I des réacteurs à eau bouillante en 1954. Il a partiellement retiré les barres de contrôle pour produire délibérément une excursion de puissance, mais le résultat a été une explosion et une fusion de plus de la moitié du cœur. En 1955, EBR-I a subi une fusion partielle lors d’un test de la façon dont le réacteur réagissait aux fluctuations du débit de liquide de refroidissement ; le coupable s’est avéré être la dilatation thermique des barres de combustible.
Sept ans plus tard, lors des essais d’un autre réacteur, un scientifique a sorti une barre de contrôle trop loin, faisant fondre le cœur d’un prototype expérimental. Cette erreur a produit une explosion de vapeur suffisamment forte pour faire sauter le réacteur à neuf pieds dans les airs, avec une onde de choc qui a tué trois militaires à proximité. Les hommes ont été enterrés dans des cercueils en plomb en raison de l’exposition massive aux radiations qu’ils ont subie.
Zinn a quitté l’Argonne en 1956 pour fonder une société de conseil en Floride, General Nuclear Engineering, pour concevoir et construire des réacteurs à eau sous pression. Lorsque la société a été acquise par Combustion Engineering huit ans plus tard, il a dirigé la division nucléaire jusqu’en 1970, restant au conseil d’administration jusqu’à sa retraite en 1986. Ses conceptions de réacteurs à eau bouillante étaient les premiers prototypes de centrales nucléaires encore en activité aux États-Unis et au Japon. Il a également siégé à de nombreux conseils consultatifs gouvernementaux au cours de cette période et a été le premier président de l’American Nuclear Society en 1955. Il a subi un accident vasculaire cérébral et est décédé à Clearwater, en Floride, le 14 février 2000, à l’âge de 93 ans.
L’EBR-I a été mis hors service en 1964 et a obtenu le statut de point de repère historique en 1966. Il reste ouvert au public pendant l’été pour ceux qui souhaitent visiter le Laboratoire national de l’Idaho.
L’Histoire de la radioactivité & « Rayons uraniques »
Avant de s’interroger sur ce que sera la place de l’électronucléaire dans le mix électrique futur, il n’est pas superflu de connaître l’origine de la filière. De la découverte fortuite des « rayons uraniques » au début du 20ème siècle à l’exploitation d’un parc mondial de 450 réacteurs, la route est courte mais combien riche. À la fin du 19ème siècle, une majorité de savants pense qu’il ne reste plus grand chose à découvrir dans le domaine de la physique. « L’atome n’existe pas » : affirment même certains académiciens.
Dès lors, chaque année apporte son lot de découvertes :
– 1899 : Ernest Rutherford identifie trois types de rayonnements qu’il dénommera alpha, beta et gamma ;
– 1900 : Marie Curie, née Maria Sklodowska, découvre un autre corps ayant les mêmes propriétés d’émettre ces rayonnements ; c’est le radium ; elle en évalue approximativement la masse atomique et invente le mot de radioactivité ;
– avec son mari Pierre Curie et Henri Becquerel, elle reçoit deux prix Nobel : en 1903 pour avoir découvert la radioactivité naturelle, puis en 1911 pour avoir déterminé la masse atomique du radium ;
– 1913 : Niels Bohr applique sa théorie des quantas à l’atome d’hydrogène.
De 1913 à 1928, l’école de Copenhague sous la conduite de Niels Bohr pose les bases de la mécanique quantique. Paul Dirac, Wolfgang Pauli, Erwin Schrödinger et Werner Heisenberg s’illustrent dans l’établissement de cette théorie, la compréhension de l’atome et l’explication de la radioactivité. En 1932, James Chadwick établit l’existence du neutron. Le noyau des atomes prend sa représentation actuelle sous la forme d’un assemblage de protons et de neutrons autour duquel gravitent des électrons.
À partir de 1934, le neutron, de par sa neutralité électrique, devient le projectile de choix pour bombarder tous types d’éléments. En particulier, l’astucieux Enrico Fermi, à Rome, bombarde avec des neutrons le dernier élément naturel connu du tableau de Mendeleïev, donc le plus lourd, l’uranium, en espérant trouver de nouveau corps, des transuraniens, mais il tombe sur un résultat parfaitement incompréhensible. Il faut attendre 1938 pour commencer à démêler la vérité et comprendre ces expériences de bombardement de l’uranium par des neutrons. Cet été là, Irène Curie et Frédéric Joliot mettent en évidence, parmi les produits formés dans l’uranium bombardé, un corps de période 3,5 heures semblant avoir toutes les propriétés chimiques du lanthane. 
Les applications militaires
Jamais ces brevets ne seront respectés par les États-Unis qui, avec la Deuxième Guerre mondiale, vont devenir les maitres de la recherche et de l’exploitation de l’énergie nucléaire. Le 2 août 1939, sur la demande de Leo Szilard et d’Eugène Wigner, physiciens d’origine hongroise qui redoutaient que l’Allemagne nazi se dote d’une bombe atomique, Albert Einstein écrit au président Roosevelt pour attirer son attention sur la nouvelle source d’énergie que représente l’uranium et sur la possibilité de construire une bombe. Sans tarder, d’octobre 1939 à juin 1942, sont mises en place les installations nécessaires pour aboutir à la construction de l’arme atomique : ce sera le Projet Manhattan dirigé par le général Leslie Richard Groves et le physicien Robert Oppenheimer. États-Unis y mettent les moyens. Trois projets parallèles de séparation isotopique voient le jour à l’été 1942.
Une nouvelle étape est franchie en mars 1943 avec l’arrivée à Los Alamos de Robert Oppenheimer et d’un groupe de physiciens chargés d’effectuer les recherches sur la criticité de l’uranium et du plutonium, ce dernier étant fourni par les énormes piles à graphite construites en un temps record à Hanford. Les résultats de ces travaux sont les mises au point d’abord d’une première bombe testée à Alamogordo (Essai Trinity) puis des deux autres Little boy en uranium enrichi et Fat man au plutonium, larguées au-dessus du Japon. Peu glorieux, cet acte a néanmoins contribué à l’arrêt de la guerre, et probablement à empêcher un troisième conflit mondial. En 1944, les physiciens français sont non grata aux États-Unis. Une équipe constituée de Bertrand Goldschmidt, Jules Guéron, Hans Halban et Pierre Auger qui travaille, à Chalk River, au Canada, bénéficie néanmoins d’indiscrétions qui la tiennent au courant des travaux américains. Elle en informe le général de Gaulle lors de sa visite à Ottawa en septembre 1944. Ayant parfaitement compris l’importance et la nécessité de développer l’énergie nucléaire en France, ce dernier, après la Libération, créera le 18 octobre 1945, le Commissariat à l’énergie atomique (CEA) dont l’installation commence, dès mars 1946, au fort de Chatillon sous la houlette de Joliot Curie. Le 15 décembre 1948, à 12h12, la pile ZOÉ (pour Zéro Énergie) diverge pour la première fois.
La production d’électricité
En 20 décembre 1951, les américains produisent les premiers kWh d’origine nucléaire sur le site d’Idaho Falls avec le réacteur EBR1 qui leur permet d’éclairer la petite ville d’Arco dans l’Etat d’Idaho, puis, au cours des quatre années suivantes les efforts de développement s’intensifient tant aux États-Unis qu’en Union Soviétique, au Royaume-Uni et en France pour passer au nucléaire civil. Son démarrage devient effectif en 1957 avec la mise en service du premier prototype de réacteur électrogène de Shippingport, près de Pittsburgh en Pennsylvanie. C’est un Pressurized Water Reactor (PWR) de 60 MWe.
Mais qu’est-ce qu’un réacteur nucléaire ?
Un atome est formé d’un noyau, rassemblant des protons et des neutrons, autour duquel gravitent des électrons. L’énergie de liaison des particules élémentaires à l’intérieur du noyau est de quelques millions de fois supérieure à l’énergie qui lie l’électron à son noyau. Cette constatation permet de comprendre pourquoi on peut extraire quelques millions de fois plus d’énergie de la fission d’un noyau atomique que de la simple réaction chimique de cet atome lors de la combustion. Autrement dit : un gramme d’uranium peut produire autant d’énergie que plusieurs tonnes de produits carbonés (charbon, pétrole ou bois).
Comment obtenir ce gramme d’uranium ?
L’uranium naturel est essentiellement formé d’U 238 (99,3 %), non fissile et n’entrant donc pas dans la réaction de fission nucléaire, et de seulement 0,7% d’U 235 fissile. Seul ce dernier est apte à fournir des réactions de fission. Pour réaliser une fission, il faut des neutrons lents, dits thermiques (2 à 3 km/sec) alors que les neutrons générés par la fission de la génération précédente sont rapides (20 000 km/sec). Il faut donc les ralentir (Lire : Le cycle du combustible nucléaire). Pour ce faire, il est fait appel à un matériau appelé modérateur, Les matériaux légers tels que l’hydrogène, le deutérium (isotope de l’hydrogène) ou le graphite sont de bons modérateurs. 
L’hydrogène sous forme d’eau ordinaire ralentit fort bien les neutrons, mais malheureusement les capture également. Il faut donc enrichir l’uranium au niveau de 3% d’U 235 pour entretenir la réaction de fission. Quand la France, en 1957, envisage de recourir à l’énergie nucléaire, elle n’a pas d’autre choix que le graphite comme modérateur car il permet l’utilisation de l’uranium naturel. C’est la filière Uranium naturel graphite gaz (UNGG) refroidie au gaz carbonique sous pression, ce parallèlement à l’essai de la filière eau lourde gaz avec le prototype de Brennilis en Bretagne. La Grande-Bretagne fait aussi le choix du graphite-gaz avec sa filière MAGNOX, alors que le Canada opte pour l’eau lourde dans le cadre de son programme CANDU. Les États-Unis de leur côté profitent de l’existence d’usines d’enrichissement pour développer les filières à eau légère, PWR et Boiler Power Reactor (BWR), qui autorise des réacteurs plus compacts permettant l’extrapolation de très grandes puissances.
Depuis Enrico Fermi, tous les physiciens savent cependant que l’avenir est aux réacteurs à neutrons rapides, dans lesquels on évite de ralentir les neutrons. Ces réacteurs sont en effet capables de convertir les 99,3%d’U 238 (fertile) en plutonium 239 (fissile). Le Pu 239, considéré jusqu’alors comme un déchet gênant, passe à l’état de combustible utile. La quantité d’énergie que l’on peut retirer de l’uranium naturel est ainsi multipliée par un facteur de l’ordre de 50, voire davantage. Dans ces conditions, le spectre de la pénurie de combustible nucléaire disparait.
Électricité nucléaire
En 1951, à 13 h 50, la première électricité jamais produite par l’énergie atomique a commencé à s’écouler du générateur à turbine EBR-1 lorsque Walter Zinn et son équipe de scientifiques du Laboratoire national d’Argonne ont amené EBR-1 à la criticité (un système contrôlé et autonome réaction en chaîne) avec un noyau de la taille d’un ballon de football. Le réacteur est démarré et la puissance augmente progressivement sur plusieurs heures. Le lendemain, Experimental Breeder Reactor-1 a produit suffisamment d’électricité pour fournir toute l’énergie nécessaire à son propre bâtiment. Des expériences supplémentaires de puissance et de cœur ont ensuite été menées jusqu’à son déclassement en décembre 1963. La construction a commencé en 1949, entre Idaho Falls et Arco, Idaho. Aujourd’hui, EBR-1 est un monument historique national enregistré. D’autres réacteurs sont sur le site.
https://www.lenouveleconomiste.fr/20-decembre-1951-les-debuts-de-lelectricite-nucleaire-74812/
https://www.edn.com/1st-breeder-reactor-generates-electricity-december-20-1951/
https://www.encyclopedie-energie.org/histoire-de-lenergie-nucleaire/
https://www.aps.org/publications/apsnews/201412/physicshistory.cfm
https://www.laboiteverte.fr/photo-mystere-n134/