Au cœur d'un réacteur

Une centrale nucléaire est une usine qui produit de l'électricité en exploitant l'énergie dégagée par la réaction de fission nucléaire. Si le principe de fonctionnement se révèle relativement simple, tout l'enjeu réside bien sûr dans la garantie d'une sûreté la plus grande possible.

Chargement du réacteur. Centrale nucléaire
de Chooz B1, France, novembre 1995.
© Areva / Joly Emmanuel

La fission nucléaire

On appelle "fissile" un atome dont le noyau peut se casser en deux sous l'effet d'une collision avec un neutron (particule élémentaire de charge électrique nulle). Les atomes fissiles les plus connus sont l'uranium 235 et le plutonium 239.
Les deux fragments obtenus, ou produits de fission, sont la plupart du temps radioactifs.






Cette réaction s'accompagne d'un grand dégagement d'énergie et d'une augmentation de la chaleur de la matière. Le principe d'un réacteur nucléaire consiste à récupérer cette énergie sous la forme de chaleur pour la transformer en électricité.

Dans un réacteur nucléaire, la réaction en chaîne est contrôlée.

Chaque fission produit également deux à trois neutrons qui provoquent à leur tour de nouvelles fissions et libèrent d'autres neutrons et ainsi de suite... C'est la réaction en chaîne. Dans un réacteur nucléaire, la réaction en chaîne est contrôlée. On ne laisse qu'un seul neutron se propager et poursuivre la réaction, les autres étant capturés. Ainsi, une fission donne une fission et pas deux ou trois. La quantité de chaleur libérée dans la masse d'uranium est donc parfaitement maîtrisée¹. En pratique, ce sont des absorbants (bore, indmium, cadmium) qui assurent l'absorption des neutrons excédentaires et le contrôle de la réaction en chaîne. Il existe notamment des barres de contrôle ou de commande. Mobiles, elles peuvent être introduites ou extraites du cœur de réacteur. En cas de nécessité, leur chute automatique au sein du combustible stoppe presque instantanément la réaction en chaîne.

Une grande chaudière

Le réacteur nucléaire fonctionne exactement comme une chaudière domestique... mais de
13 mètres de haut ! La chaleur produite par les fissions nucléaires est récupérée par un fluide caloporteur (capable de véhiculer de la chaleur) et permet d'obtenir de la vapeur. Celle-ci fait tourner une turbine, laquelle entraîne un alternateur qui produit de l'électricité.

Un réacteur se compose de 4 constituants principaux :

   • un combustible dans lequel se produit la fission ;

   • un fluide caloporteur qui transporte la chaleur hors du réacteur ;

   • un modérateur (sauf pour les réacteurs à neutrons rapides) qui permet de ralentir les neutrons pour augmenter leurs chances de fissionner un atome d'uranium ;

   • des barres de commande qui contrôlent la réaction en chaîne.

Chacun de ces constituants, en particulier les 3 premiers, donne lieu à des variantes (nature, fonctionnement...). Par exemple :

   • le fluide caloporteur peut être directement utilisé pour actionner la turbine. Il s'agit alors d'eau, qui se transforme en vapeur avec la chaleur émise par la fission nucléaire. C'est le cas, par exemple, de la filière des réacteurs à eau bouillante (REB) ;

   • ou bien, le fluide caloporteur peut transmettre sa chaleur à un autre fluide via un générateur de vapeur. Ce second fluide, de l'eau en l'occurrence, se transforme en vapeur et actionne la turbine. C'est le cas de la filière des réacteurs à eau pressurisée (REP).

On dénombre 6 principales filières actuellement en activité dans le monde, mais les Réacteurs à Eau Pressurisée (REP) produisent environ 60 % de l'électricité mondiale d'origine nucléaire¹.

La production d'électricité à partir d'énergie nucléaire n'émet pas de CO₂.

 

Vrai et (un peu) faux. Les centrales nucléaires ne rejettent pas de gaz à effet de serre (comme le CO₂), contrairement aux centrales électriques brûlant des combustibles fossiles. Ainsi, le remplacement d'une centrale à charbon de type classique de 1 000 mégawatts électriques par une centrale nucléaire de puissance équivalente permettrait d'éviter le rejet dans l'atmosphère d'environ 7 millions de tonnes de gaz carbonique par an².

En revanche, si l'on considère l'ensemble du cycle du nucléaire, depuis l'extraction de l'uranium jusqu'au démantèlement des centrales, la donne n'est plus la même. Les activités minières, le transport du minerai, la fabrication du combustible... sont autant d'activités industrielles qui génèrent des gaz à effet de serre.

La sûreté du réacteur : la défense en profondeur

En termes de sécurité, le dispositif doit assurer en permanence les 3 fonctions suivantes :

   • le contrôle de la réaction en chaîne et donc de la puissance produite ;

   • le refroidissement du combustible afin d'évacuer la puissance résiduelle, c'est-à-dire la chaleur dégagée par la radioactivité des produits de fission, y compris après l'arrêt de la réaction en chaîne ;

   • le confinement des matières radioactives.

La sûreté d'un réacteur repose sur le principe de défense en profondeur selon lequel tout dispositif est considéré comme vulnérable et doit être relayé ou protégé par d'autres dispositifs. Chaque ligne de défense réduit la probabilité d'occurrence et / ou de gravité de l'accident.

Trois barrières physiques isolent les produits radioactifs de l'environnement.

Ainsi, par exemple, plusieurs barrières physiques isolent les produits radioactifs de l'environnement :

   • les gaines métalliques étanches des crayons qui contiennent les pastilles de combustible ;

   • la cuve du réacteur en acier très épais ;

   • l'enceinte de confinement, parfois double, en béton de forte épaisseur, étanche, qui entoure les bâtiments³.

L'histoire du nucléaire recense plusieurs cas dont l'analyse met en évidence le rôle des barrières successives pour confiner la radioactivité.

   • Aux États-Unis, en 1979, l'accident de Three Mile Island : le cœur du réacteur (REP)
a fondu en partie, n'entraînant aucune incidence à l'extérieur du site. La contamination
a été contenue à l'intérieur de l'enceinte de confinement qui a protégé la population et l'environnement.

  • En Ukraine, en 1986, l'accident de Tchernobyl où un réacteur de type RBMK (sans enceinte de confinement) a explosé, entraînant d'importants dégâts humains, matériels et environnementaux. Il s'agit d'une défaillance humaine, les procédures de sûreté ayant été contournées (systèmes automatiques de sécurité désactivés). Le contrôle a été perdu et la réaction en chaîne s'est emballée, provoquant une explosion de vapeur à l'intérieur de la centrale et un incendie. Le graphite du cœur du réacteur a brûlé pendant une dizaine de jours avant que l'incendie ne soit maîtrisé, rejetant dans l'atmosphère une quantité importante de produits radioactifs artificiels qui se sont ensuite répandus sur des centaines de kilomètres carrés, atteignant de nombreux pays. Trente-deux personnes sont décédées dans les 3 mois qui ont suivi l'accident, beaucoup d'autres (plusieurs milliers) ont été gravement irradiées.

   • Au Japon, le 11 mars 2011, un fort séisme puis un tsunami ont entraîné, au-delà des nombreuses victimes, une série d’accidents graves dans la centrale nucléaire de Fukushima. Ces événements géophysiques exceptionnels ont provoqué une coupure d’alimentation électrique, puis une panne des générateurs de secours. Privés de leur circuit de refroidissement, les réacteurs ont subi des explosions et des dégradations liées à la chaleur, et des éléments radioactifs ont été rejetés dans l’atmosphère. Des employés ont également été fortement irradiés.

Il y a très régulièrement des incidents nucléaires.

Vrai. Comme toute industrie, l'industrie nucléaire connaît un certain nombre d'incidents. Et dans l'industrie nucléaire, tout incident et toute anomalie doivent être déclarés. Chaque cas est analysé et des mesures correctives sont prises. Il existe une échelle internationale en fonction de laquelle tous les incidents et accidents, même les plus minimes, sont classés : l'échelle INES (International Nuclear Event Scale) qui compte 7 degrés. Le niveau 0 répertorie des anomalies n'ayant aucune conséquence sur la sûreté. De 1 à 3, il s'agit d'incidents et, à partir de 4, d'accidents.

En France en 2009, ont été déclarés :

   • 941 anomalies (niveau 0) ;
   • 130 incidents de niveau 1 ;
   • 3 incidents de niveau 2 ;
   • 0 incident de niveau 3 et +.

Pour mémoire, l'accident de Three Mile Island a été classé au niveau 5 sur l'échelle INES, celui de Tchernobyl au niveau 7. Celui de Fukushima a atteint, le 12 avril 2011, le niveau 7.

[1]Source CEA
[2]Source Société Française d'Energie Nucléaire
[3]Source AREVA