Comment fonctionne une centrale nucléaire ?

Avec la crise énergétique que nous traversons, on parle beaucoup en ce moment des centrales nucléaires et des problemes de corrosion qu'elles rencontrent. Mais savons-nous vraiment comment elles fonctionnent ?

Comment fonctionne une centrale nucléaire ?

Avec la crise énergétique que nous traversons, on parle beaucoup en ce moment des centrales nucléaires et des problemes de corrosion qu'elles rencontrent. Mais savons-nous vraiment comment elles fonctionnent ?

Qu’elle soit hydraulique, thermique, ou nucléaire, une centrale produit de l’électricité en faisant tourner une turbine couplée à un alternateur. Dans le cas d’une centrale nucléaire, c’est un réacteur à eau pressurisée qui fournit l’énergie nécessaire pour faire tourner cette turbine.

L'uranium comme source d'énergie

Les réacteurs à eau pressurisée (REP) n’utilisent pas l’énergie de la combustion de matières fossiles comme le gaz ou le pétrole,  ils utilisent une énergie qui provient de la fission de noyaux d’uranium 235, un métal que l’on trouve naturellement sur terre, et qui a des propriétés étonnantes. A l’état naturel, ce métal est présent dans des roches, combiné à d’autres éléments chimiques. Il est d’abord broyé, dissout, puis enrichi et enfin conditionné pour former de petites pastilles d’oxyde d’uranium. Chaque pastille, qui ne mesure qu’un cm de long, et pèse 7 grammes, peut libérer autant d’énergie qu’une tonne de charbon !

Les pastilles sont enfilées dans des tubes métalliques de 4 mètres de long qu'on appelle des crayons. Ces assemblages sont chargés dans le réacteur nucléaire, où se déroulent les réaction de fission.

crayons d'uranium au coeur du réacteur
Les crayons de pastilles d'uranium sont chargés au coeur du réacteur (Image EDF)

En quoi consiste la fission nucléaire ?

Pour comprendre la réaction de fission, il faut regarder de plus près, à l’échelle de l’infiniment petit. A l’origine de la réaction de fission, il y a un projectile, le neutron, qui vient frapper un noyau d’uranium et le casse en 2 parties. La division du noyau est appelée « réaction de fission ». D’ailleurs, on dit d’un atome qui a la faculté de se diviser en 2, comme l’uranium 235 qu’il est « fissile ». C’est pour ça qu’on parle parfois d’énergie fissile lorsqu’on évoque les centrales nucléaires.

Cette réaction s’accompagne d’un grand dégagement d’énergie. Lors de la fission, l’atome d’uranium est divisé en 2 parties et émet 2 ou 3 neutrons qui vont à leur tour frapper et diviser d’autres noyaux et ainsi de suite. C’est ce qu’on appelle la réaction en chaîne.

Réaction de fission nucléaire
Schéma d'une réaction en chaîne de fission nucléaire :
1. Un atome d'uranium 235 absorbe un neutron et se divise en deux nouveaux atomes (produits de fission), relâchant trois nouveaux neutrons et de l'énergie.
2. L'un des neutrons est absorbé par un atome d'uranium 238 et ne continue pas la réaction, un autre neutron est simplement perdu. Cependant, un neutron entre en collision avec un atome d'uranium 235, qui se divise et relâche deux neutrons et de l'énergie.
3. Ces deux neutrons entrent en collision avec des atomes d'uranium 235, qui se divisent et relâchent de un à trois neutrons, qui peuvent encore entretenir la réaction.

Comment l'énergie électrique est-elle produite ?

Dans le coeur du réacteur, la réaction en chaîne est maîtrisée par des barres de contrôle, qui absorbent les neutrons lorsqu’ils sont trop nombreux. Cela permet d’éviter que la réaction devienne incontrôlable. Dans la cuve du réacteur, la chaleur dégagée par les gaines de combustible permet de chauffer de l’eau, à plus de 300 degrés.

Vue 3D d'un réacteur nucléaire
Au coeur du réacteur, l'eau du circuit primaire est chauffée à plus de 300 degrés (image EDF)

Un pressuriseur maintient l’eau sous pression pour l‘empêcher de bouillir. L’eau de ce premier circuit, qu’on   primaire, transmet sa chaleur à un autre circuit fermé, le circuit secondaire. Lorsque l’eau du circuit primaire (ici représenté en rouge), traverse le générateur de vapeur, l’eau du circuit secondaire (ici en orange) se met à bouillir et se transforme en vapeur. Cette vapeur active une turbine qui entraîne l’alternateur, et cela produit de l’électricité.

Circuits primaire et secondaire d'un réacteur nucléaire
La chaleur de l'eau du circuit primaire est transmise au circuit secondaire par l'intermédiaire du générateur de vapeur (image EDF)

Le circuit de refroidissement permet à la vapeur de se condenser. Elle redevient de l’eau, et retourne dans le générateur de vapeur. L'eau du circuit de refroidissement est refroidie dans un condenseur soit par l'eau d'une rivière ou de la mer, soit dans des tours aéro-réfrigérantes (les énormes cheminées) qui font circuler de grandes qualtités d'air pour refroidir l'eau.  

Et la sécurité dans tout ça ?

Les produits de fission (l'uranium 238 notamment) sont hautement radioactifs et dangereux aussi bien pour l'homme que pour l'environnement. Pour éviter les fuites radioactives, 3 barrières concentriques confinent le combustible : les gaines, la cuve en acier, et l’enceinte en béton. Quand aux circuits d’eau primaires et secondaires, il sont indépendants pour éviter toute fuite d’éléments radioactifs dans l’environnement. En cas de situation anormales, des barres de sécurité chutent automatiquement dans le coeur du réacteur, ce qui stoppe les réactions en chaîne.

En France, 78 % de l’électricité est produite grâce à de l’énergie nucléaire, grâce à 58 réacteurs à eau pressurisée. 

La vidéo pour bien comprendre

 

 

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Qu’elle soit hydraulique, thermique, ou nucléaire, une centrale produit de l’électricité en faisant tourner une turbine couplée à un alternateur. Dans le cas d’une centrale nucléaire, c’est un réacteur à eau pressurisée qui fournit l’énergie nécessaire pour faire tourner cette turbine.

L'uranium comme source d'énergie

Les réacteurs à eau pressurisée (REP) n’utilisent pas l’énergie de la combustion de matières fossiles comme le gaz ou le pétrole,  ils utilisent une énergie qui provient de la fission de noyaux d’uranium 235, un métal que l’on trouve naturellement sur terre, et qui a des propriétés étonnantes. A l’état naturel, ce métal est présent dans des roches, combiné à d’autres éléments chimiques. Il est d’abord broyé, dissout, puis enrichi et enfin conditionné pour former de petites pastilles d’oxyde d’uranium. Chaque pastille, qui ne mesure qu’un cm de long, et pèse 7 grammes, peut libérer autant d’énergie qu’une tonne de charbon !

Les pastilles sont enfilées dans des tubes métalliques de 4 mètres de long qu'on appelle des crayons. Ces assemblages sont chargés dans le réacteur nucléaire, où se déroulent les réaction de fission.

crayons d'uranium au coeur du réacteur
Les crayons de pastilles d'uranium sont chargés au coeur du réacteur (Image EDF)

En quoi consiste la fission nucléaire ?

Pour comprendre la réaction de fission, il faut regarder de plus près, à l’échelle de l’infiniment petit. A l’origine de la réaction de fission, il y a un projectile, le neutron, qui vient frapper un noyau d’uranium et le casse en 2 parties. La division du noyau est appelée « réaction de fission ». D’ailleurs, on dit d’un atome qui a la faculté de se diviser en 2, comme l’uranium 235 qu’il est « fissile ». C’est pour ça qu’on parle parfois d’énergie fissile lorsqu’on évoque les centrales nucléaires.

Cette réaction s’accompagne d’un grand dégagement d’énergie. Lors de la fission, l’atome d’uranium est divisé en 2 parties et émet 2 ou 3 neutrons qui vont à leur tour frapper et diviser d’autres noyaux et ainsi de suite. C’est ce qu’on appelle la réaction en chaîne.

Réaction de fission nucléaire
Schéma d'une réaction en chaîne de fission nucléaire :
1. Un atome d'uranium 235 absorbe un neutron et se divise en deux nouveaux atomes (produits de fission), relâchant trois nouveaux neutrons et de l'énergie.
2. L'un des neutrons est absorbé par un atome d'uranium 238 et ne continue pas la réaction, un autre neutron est simplement perdu. Cependant, un neutron entre en collision avec un atome d'uranium 235, qui se divise et relâche deux neutrons et de l'énergie.
3. Ces deux neutrons entrent en collision avec des atomes d'uranium 235, qui se divisent et relâchent de un à trois neutrons, qui peuvent encore entretenir la réaction.

Comment l'énergie électrique est-elle produite ?

Dans le coeur du réacteur, la réaction en chaîne est maîtrisée par des barres de contrôle, qui absorbent les neutrons lorsqu’ils sont trop nombreux. Cela permet d’éviter que la réaction devienne incontrôlable. Dans la cuve du réacteur, la chaleur dégagée par les gaines de combustible permet de chauffer de l’eau, à plus de 300 degrés.

Vue 3D d'un réacteur nucléaire
Au coeur du réacteur, l'eau du circuit primaire est chauffée à plus de 300 degrés (image EDF)

Un pressuriseur maintient l’eau sous pression pour l‘empêcher de bouillir. L’eau de ce premier circuit, qu’on   primaire, transmet sa chaleur à un autre circuit fermé, le circuit secondaire. Lorsque l’eau du circuit primaire (ici représenté en rouge), traverse le générateur de vapeur, l’eau du circuit secondaire (ici en orange) se met à bouillir et se transforme en vapeur. Cette vapeur active une turbine qui entraîne l’alternateur, et cela produit de l’électricité.

Circuits primaire et secondaire d'un réacteur nucléaire
La chaleur de l'eau du circuit primaire est transmise au circuit secondaire par l'intermédiaire du générateur de vapeur (image EDF)

Le circuit de refroidissement permet à la vapeur de se condenser. Elle redevient de l’eau, et retourne dans le générateur de vapeur. L'eau du circuit de refroidissement est refroidie dans un condenseur soit par l'eau d'une rivière ou de la mer, soit dans des tours aéro-réfrigérantes (les énormes cheminées) qui font circuler de grandes qualtités d'air pour refroidir l'eau.  

Et la sécurité dans tout ça ?

Les produits de fission (l'uranium 238 notamment) sont hautement radioactifs et dangereux aussi bien pour l'homme que pour l'environnement. Pour éviter les fuites radioactives, 3 barrières concentriques confinent le combustible : les gaines, la cuve en acier, et l’enceinte en béton. Quand aux circuits d’eau primaires et secondaires, il sont indépendants pour éviter toute fuite d’éléments radioactifs dans l’environnement. En cas de situation anormales, des barres de sécurité chutent automatiquement dans le coeur du réacteur, ce qui stoppe les réactions en chaîne.

En France, 78 % de l’électricité est produite grâce à de l’énergie nucléaire, grâce à 58 réacteurs à eau pressurisée. 

La vidéo pour bien comprendre

 

 

Rédacteur
Biberonné à l'Atari ST et au légo technics, c'est avec des cartes Arduino et des imprimantes 3D que je m'amuse aujourd'hui, et surtout que j'essaie d'amuser mes élèves !
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