Le fonctionnement des centrales nucléaires

Après la seconde guerre mondiale, les recherches continuèrent sur le principe des centrales. Mais c'est après la crise pétrolière de 1973 que les pays développés Européens, comme la France, se décident à adopter cette énergie thermique d'origine fossile ( pétrole).Cette énergie s'est avérée efficace car E.D.F. est passé de 3%de la production d'électricité en 1973 en France à environ 75% de nos jours.

      La France est le pays qui produit le plus
      d'électricité à partir de lénergie nucléaire

 

 

Cette électricité provient des centrales nucléaires. Pour cela nous allons étudier avec précision le fonctionnement des différentes centrales. Tout d'abord, ces centrales nucléaires sont des usines de production d'électricité, à partir de un ou plusieurs réacteurs. L'énergie électrique provient d'un enchaînement de deux énergies, tout d'abord l'énergie thermique puis enfin l'énergie mécanique.
L'énergie thermique provient de la fission des noyaux du combustible radioactif, en majorité il s'agit de l'uranium 235.Lors de la fission, il se dégage de l'énergie ainsi que des neutrons. Le but des centrales est qu'un seul neutron ne brise qu'un seul noyau d'uranium, d'où l'importance d'un milieu dit modérateur. Cette fission s'effectue dans ce qu'on appel le coeur du réacteur, ou se trouve l'uranium, qui est empilé dans des " crayons " d'environ quatre mètres : le combustible subit des modifications dans le réacteur, au fur et à mesure de la fission, les noyaux fissiles (qui se cassent lors de la fission ) diminuent, il faut donc renouveler périodiquement le combustible ,à chaque arrêt du réacteur ,qui à lieu environ une seule fois par an. Tout d'abord l'uranium est extrait de la surface de la terre, puis après raffinage on extrait de l'uranium enrichi ainsi que de l'uranium appauvri présent à environ 90% de l'uranium extrait. Mais lorsque l'uranium est passé dans un réacteur on traite le combustible usé, pour en faire des déchets, de l'uranium de retraitement ainsi que du plutonium. Ce dernier partait dans les déchets mais en France on a créé une usine appelée Melox qui forme du combustible mixte avec du plutonium et de l'uranium que l'on appel le mox, ceci permet de retirer le plutonium des déchets.
Des barres de contrôles pénètrent le coeur du réacteur pour contrôler le dégagement d'énergie et absorber les neutrons qui se multiplient du fait de la fission.
Le combustible radioactif est en contact avec le modérateur qui a pour principe de ralentir un maximum de neutrons sans les absorber si possible pour qu'il y ai ainsi une plus grande probabilité de fission avec seulement un neutron. Ce modérateur doit être composé d'atomes légers, par exemple l'hydrogène de l'eau, est un modérateur efficace mais il absorbe les neutrons, on peut utiliser le deutérium qui est un isotope de l'hydrogène, et il absorbe moins les neutrons. Cette énergie thermique passe ensuite dans le fluide caloporteur, qui a pour but d'absorber la chaleur dégagée par la fission et de la transmettre au circuit secondaire. Ce fluide caloporteur doit avoir aussi un faible pouvoir d'absorption des neutrons, pour cela on utilise l'eau ordinaire, l'eau lourde, et le sodium. Ce fluide caloporteur se trouve dans le circuit primaire, que nous venons de décrire, et il transmet cette chaleur, en général, au même fluide qui lui au contraire n'est pas au contact du combustible. Ce transfert d'énergie se fait au niveau du générateur de vapeur, c'est ainsi que débute le circuit secondaire. Pour un souci de protection, le circuit primaire (la cuve où se trouve le coeur du réacteur ainsi que les pompes qui actionnent le cycle du fluide caloporteur et enfin le générateur de vapeur ) est enfermé dans une enceinte de confinement en acier et en béton, en plus de cette protection, la cuve où se trouve le coeur du réacteur est protégé par de l'acier de 20 a 30 centimètres ainsi qu'une couche d'alliage inoxydable.
Le fluide caloporteur du circuit secondaire devient en général de la vapeur, tout dépend de sa température d'ébullition, et passe dans des turbines, qui engendre une énergie mécanique. Cette dernière passe au niveau d'un alternateur qui la transforme en énergie électrique. Mais ce fluide doit être refroidit pour recommencer le circuit, pour cela il faut l'intervention d'un circuit de refroidissement, qui pompe l'eau ( souvent très froide ) puis la fait circuler dans un condenseur. Donc lorsque le fluide passe au niveau du condenseur, il se refroidit et passe dans une pompe pour le propulser nous recommençons ainsi le cycle.


      Ces tours dégagent de la vapeur provenant
      du circuit de refroidissement


Le circuit de refroidissement explique la localisation des centrales, car la plupart des centrales fonctionnant sur ce principe, se trouvent à proximité des rivières, fleuves, mers ou lacs.
A présent nous allons étudier les différentes filières existant dans le monde, ainsi que les projets des réacteurs à venir. Tout d'abord nous allons commencer par le réacteur à eau sous pression (REP) qui constitue 90% du parc nucléaire français. L'eau est pressurisée à 155 bars à l'aide du pressuriseur contenu dans le circuit primaire. Cette eau constitue le modérateur ainsi que le fluide caloporteur. Tandis que le combustible est le dioxyde d'uranium enrichi.

Un réacteur du même genre est mis au point : le réacteur à eau bouillante. Dans ce type de réacteur l'eau n'est pas mise sous pression et donc boue au contact du combustible. De ce fait la vapeur dégagée va directement à la turbine. Ce réacteur utilise le même modérateur, fluide caloporteur et combustible que les REP, ce type de réacteur n'existe pas en France.

Un réacteur dit UNGG (Uranium Naturel Graphite Gaz), qui comme son nom l'indique, utilise l'uranium naturel (moins onéreux que l'uranium enrichi) comme combustible, le graphite comme modérateur et le gaz carbonique comme fluide caloporteur ainsi que fluide de refroidissement. Ce réacteur a fait parti du parc français mais il a cessé de fonctionner en 1969 car il délivrait une faible puissance et, lors de sa construction, il coûtait trop cher.

Les réacteurs à eau lourde, où le combustible est l'uranium naturel ou enrichi, utilisent l'eau lourde comme modérateur et fluide caloporteur. Une molécule d'eau lourde est constituée d'un atome d'oxygène et deux atomes de deutérium (un isotope de l'hydrogène.) Ce liquide est un meilleur modérateur que l'eau ordinaire. Il est beaucoup utilisé au Canada, et convoité par les pays en voie de développement (PVD), qui voit le faible coût de l'uranium naturel.

Les réacteurs à haute température utilisent l'uranium enrichi additionné de thorium (métal blanc radioactif) comme combustible. Le modérateur est le graphite, et l'hélium étant le fluide caloporteur. Il est dit à haute température car il atteint environ 900°C. Cette filière des réacteurs à haute température est surtout utilisée aux Etats-Unis ainsi qu'en Allemagne.

Les réacteurs RBMK (ce qui signifie en Russe " grande puissance canal ") utilisent l'uranium faiblement enrichi à 1,8% comme combustible. Le modérateur est du graphite présent sous forme d'un empilement de briques, et le fluide caloporteur est l'eau bouillante. L'eau se transforme en vapeur après avoir traversé l'empilement de graphite et d'être passer le long du combustible.
Cette vapeur est recueillie puis envoyée vers les turbines. Dans ce type de réacteur, il n'existe pas de circuit intermédiaire entre le réacteur et la turbine. Cette filière représente près de 45% de la puissance nucléaire installe en ex-URSS, et ils font partis des plus puissants au monde, car ils délivre une puissance de 1,6GW. Ce type de réacteur équipait notamment la célèbre centrale de Tchernobyl en Ukraine.

Les réacteurs à neutrons rapides (RNR) : qui, contrairement à tous les autres réacteurs ne disposent pas de milieu modérateur. Le premier réacteur construit en 1951 était de ce type. Cette filière présente une plus grande puissance thermique, elle utilise l'uranium appauvri ainsi que du plutonium comme combustible. Le fluide caloporteur est le sodium. Ce dernier est un très bon conducteur thermique, et en plus il absorbe et ralentit très peu les neutrons. Ce sodium passe dans le coeur du réacteur (circuit primaire) mais reste dans la chaudière (cuve) et c'est un second circuit de sodium, qui lui au contraire n'est pas radioactif grâce aux protections en acier qui entourent le coeur du réacteur, va recevoir la chaleur contenue dans le sodium du circuit primaire. Ce dernier va transformer l'eau en vapeur par l'intermédiaire du générateur de vapeur.
Ce type de réacteur permet d'obtenir 50 à 70 fois plus d'énergie électrique à partir de l'uranium qu'un réacteur à eau sous pression. Le RNR a un grand avantage, il a la capacité de fonctionner de trois manières différentes :
- Il peut être surgénérateur : c'est à dire que sa production de plutonium excède sa consommation, de cette manière il utilise l'uranium appauvri comme combustible issu des centrales nucléaires classiques.
- Il peut être convertisseur : il consomme autant de plutonium qu'il n'en produit.
- Et enfin il peut être incinérateur : il consomme le plutonium, brûle celui des autres centrales et il convertit les produits très radioactifs en produit peu radioactif.
Un autre avantage à cette filière, c'est que les températures varient très lentement, et de ce fait les opérateurs ne prennent pas des décisions dans l'urgence et les rejets thermiques sont moins important que ce des autres centrales. Il existe un réacteur de ce type en France, connu sous le nom de Superphenix qui est un surgénérateur puissant (= 1,3 GW), et depuis son démarrage il a produit environ 4,3 milliards de kWh.

Tous ces réacteurs sont performants mais ont encore des inconvénients, c'est pour cela que certains pays comme la France, les Etats-Unis, ou encore l'Espagne sont à la recherche de nouveaux type de réacteurs :
- Les réacteurs à sels fondus. Sa particularité c'est que le combustible est liquide, il est constitué d'un mélange de sels de lithium, de béryllium, de thorium, et d'uranium enrichi à 30%. Ce combustible passe dans des canaux à l'intérieur du modérateur, le graphite, qui cède la chaleur à un autre sel, qui lui aussi la cède grâce à un générateur de vapeur.
Cette filière aurait un fort rendement thermique mais malheureusement la France et les Etats-Unis n'ont pas eu beaucoup de succès.
- Le réacteur à haute température à cycle direct : sa particularité c'est de supprimer le circuit intermédiaire. La chaleur est transmise directement du coeur du réacteur à la turbine à gaz. Le fluide caloporteur est constitue d'hélium.
L'intérêt de ces réacteurs est de supprimer le générateur de vapeur.
L'Amplificateur d'Energie (AE) a été conçu par le lauréat du prix Nobel de physique Carlo Rubbia. L'AE n'utilise pas le principe de la fission nucléaire en chaîne, mais est dirigé par un flux continu de neutrons produit par un accélérateur de particules, qui bombarde le combustible constitue de thorium et de petites quantités de plutonium enrichi. Tout d'abord le thorium existe en abondance sur la Terre par rapport à l'uranium et de plus le plutonium y est totalement consommé. Ce type de réacteur se révèle efficace, car il pourrait représenter une solution pour les déchets radioactifs.



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