Dossier : Comprendre l’énergie nucléaire

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Décryptages

Le fonctionnement d'un réacteur nucléaire

Le réacteur nucléaire est « l’outil » qui permet de collecter et transformer les grandes quantités d’énergie dégagées par les processus de fission nucléaire. Sa fonction est d’une part de maîtriser cette fission et d’autre part de convertir l’énergie recueillie sous forme de chaleur. Comme dans une centrale thermique classique (gaz, charbon, fioul), la vapeur d’eau fait tourner une turbine couplée à un alternateur qui produit de l’électricité1. (Voir la vidéo : "L'énergie nucléaire")

Une centrale nucléaire récupère la chaleur issue de la "fission" pour produire de la vapeur. Celle-ci permet ensuite d'activer la turbine reliée à un alternateur lequel fabrique de l’électricité. © AFP PHOTO / JEAN-CHRISTOPHE VERHAEGEN

La fission nucléaireDésintégration d'un noyau atomique lourd instable en plusieurs noyaux plus légers (le plus souvent deux)... est la désintégration de noyaux lourds, comme ceux de l’uraniumMétal gris, très dense et radioactif, l'uranium est un élément relativement répandu dans l'écorce terrestre et l'eau des océans..., après une collision avec un neutronLes neutrons sont, avec les protons, les particules constituantes du noyau de l’atome. Ils sont électriquement neutres. . D’autres neutrons sont libérés et provoquent à leur tour de nouvelles fissions.

Les neutrons étant éjectés à très grande vitesse, ils risquent de rebondir sur les noyaux sans les casser. Il faut donc les ralentir. D’autre part, pour éviter un emballement, une réaction en chaînePour provoquer la fission nucléaire (fission induite), on bombarde les noyaux d’uranium-235 par des neutrons... non contrôlée, il faut éviter la multiplication de ces neutrons et donc absorber une partie d’entre eux, environ 2 sur 3.

Dans les types de réacteurs les plus courants (REP ou REB – voir ci-dessous), les combustibles nucléaires sont placés dans une cuve en acier remplie d’eau. C’est cette eau qui va jouer le rôle de ralentisseur de neutrons, grâce à ses atomesL'atome est le constituant fondamental de la matière, la plus petite unité indivisible d'un élément chimique... d’hydrogèneL'hydrogène est l'atome le plus simple et le plus léger. C'est l'élément de très loin le plus abondant de l’univers. , un peu comme dans le choc de deux boules de billard. Le graphite est un autre modérateur de vitesse, mais il est progressivement abandonné.

Pour absorber les neutrons en excès, on introduit dans le milieu aqueux des éléments neutrophages, en l’occurrence des barres composées de boreLe bore est un élément chimique (symbole B) de type métalloïde et semi-conducteur.... Les pastilles de combustibleUn combustible désigne tout composant ou matière solide, liquide ou gazeux susceptible de se combiner à un oxydant... nucléaire sont empilées dans des « crayonsDans les centrales nucléaires, nom donné aux longs tubes en métal dans lesquels on place les pastilles de combustible (uranium enrichi ou mox). » faits de gaines de zirconium (Voir le décryptage : « Le cycle du combustible »). Ils sont rassemblés dans un assemblage à base carrée, avec des tubes vides positionnés entre eux. C’est dans ces tubes que vont glisser les barres de bore. En les faisant légèrement monter ou descendre, on réduit ou on augmente l’absorption des neutrons. Ces barres de pilotage sont commandées depuis la salle de contrôle du réacteur. Il s’agit d’un pilotage fin, car la production d’un réacteur ne peut pas fonctionner en « montagnes russes »… En cas d’incident, les barres de pilotage tombent automatiquement et stoppent le réacteur. Toutefois, le cœur du réacteur reste très chaud pendant des mois et il faut continuer à le refroidir. C’est cette absence de refroidissement qui a conduit à l’accident de Fukushima.

Les circuits d’eau

L’eau de la cuve, qui a été fortement chauffée par les réactions nucléaires, circule dans un circuit fermé, le circuit primaireDans une centrale nucléaire, le réacteur comprend 3 circuits (primaire, secondaire et refroidissement).... Cette eau chaude rentre en contact, dans un « générateur de vapeurUn générateur de vapeur est une unité industrielle transformant l’eau en vapeur d’eau... », avec les tuyaux d’un autre circuit fermé, le circuit secondaire. À l’intérieur de ces tuyaux, l’eau se vaporise. C’est cette vapeur qui va entraîner la turbine.

Pour que le système fonctionne en continu, il faut assurer le refroidissement de l’eau du circuit secondaire avant que celle-ci ne retourne dans le générateur de vapeur. Dans ce but, un troisième circuit est mis en place. De l’eau froide est prélevée dans l’environnement (rivière, mer) et circule dans un condenseur dont les multiples tuyaux permettront le retour de la vapeur du circuit secondaire à un état liquide. L’eau du condenseur, qui n’a pas été en contact avec la radioactivitéDécouverte en 1896 par le physicien français Henri Becquerel, la radioactivité est un phénomène naturel..., est ensuite rejetée dans l’environnement.

 

Les nuages blancs qui s’élèvent au-dessus des centrales nucléaires sont constitués de vapeur d’eau.

Si les débits des sources d’eau situées autour de la centrale ne sont pas suffisants, des tours de refroidissement permettent d’évacuer la chaleurAujourd'hui, en thermodynamique statistique, la chaleur désigne un transfert d'agitation thermique des particules composant la matière... vers le milieu extérieur. L’eau chaude provenant du condenseur est alors refroidie par le courant d’air qui monte dans la tour, comme l’appel d’air d’une gigantesque cheminée, avant de retourner au condenseur (on parle de refroidissement en cycle fermé). Ainsi, les nuages blancs qui s’élèvent au-dessus des centrales sont constitués de vapeur d’eau.

Les six filières de réacteurs nucléaires

Les réacteurs se distinguent selon le combustible (uranium naturel plus ou moins enrichi, MOXLe combustible nucléaire MOX est produit à partir de déchets de l'industrie nucléaire... ou thorium), le modérateur (qui sert à contrôler la réaction en chaîne : eau ou graphite), et le fluide caloporteurUn fluide caloporteur est un gaz ou un liquide chargé de transférer la chaleur d'un point A à un point B... (qui transporte la chaleur produite vers la turbine : eau, gaz, sodium ou sel fondu).

  • Les Réacteurs à Eau Pressurisée (REP) représentent l’essentiel des réacteurs en exploitation ou en projet dans le monde. Le combustible est l’uranium enrichi et/ou le MOX. L’eau est à la fois modérateur et caloporteur2.
  • Les Réacteurs à Eau Bouillante (REB) représentent le quart des réacteurs en exploitation dans le monde. Ils fonctionnent avec de l’uranium enrichi, avec l’eau comme caloporteur et modérateur. Contrairement au REP, il n’y a pas de circuit d’eau secondaire.

Trois autres types sont peu répandus :

Enfin les Réacteurs à Neutrons Rapides (RNR), de 4e génération, qui permettraient d’exploiter l’intégralité du combustible nucléaire, sont l’objet d’études mais ne produisent pas encore d’électricité (Voir le décryptage : « Les réacteurs du futur »).

 

Sources

(1) EDF

(2) Mines-ParisTech