Le principe de fonctionnement d’une centrale nucléaire

Alors que les débats sur l’opportunité de continuer dans la voie de l’énergie nucléaire émergent partout en Europe, Enerzine vous propose de revenir sur l’explication du fonctionnement d’une centrale nucléaire.

L’utilisation de l’énergie nucléaire a pour objectif principal de produire de l’électricité base faisant appel à des phénomènes physiques et à des technologies relativement complexes.

Les réacteurs électronucléaires ont pour fonction de déclencher et de contrôler des réactions nucléaires de fission, et d’utiliser la chaleur qu’elles dégagent pour produire de l’électricité, via un turboalternateur. Une centrale nucléaire est ainsi constituée de deux parties :

– une partie non-nucléaire
, avec notamment la salle des machines (qui contient principalement une ligne d’arbre comprenant les différents étages de la turbine à vapeur ainsi que l’alternateur et le condenseur).

Dans cette partie conventionnelle, semblable à celle utilisée dans les centrales thermiques classiques (fonctionnant au gaz, charbon ou fioul), s’écoule un circuit d’eau, cette dernière étant d’abord évaporée (par absorption de la chaleur préalablement produite dans la zone nucléaire), puis elle entraîne une turbine (couplée à un générateur produisant ainsi l’électricité), et enfin condensée (échange avec un refroidisseur : rivière, mer, ou atmosphère via une tour aéroréfrigérante).

C’est dans cette partie que l’énergie calorifique dégagée par la fission nucléaire est transformée en énergie mécanique (turbine) puis en énergie électrique (alternateur).

– la zone nucléaire
(dans le bâtiment réacteur), où ont lieu les réactions nucléaires, qui produisent la chaleur transférée au circuit d’eau utilisé pour la production d’électricité et qui vient d’être décrit.

Le principe de fonctionnement d'une centrale nucléaire

Dans cette zone nucléaire, un "combustible" subit une réaction en chaîne, contrôlée, de fission nucléaire. La chaleur dégagée y est transportée grâce à un "fluide caloporteur". La réaction est contrôlée par des absorbants neutroniques (bore, gadolinium, cadmium…) présents dans les barres de contrôle ou dans le fluide caloporteur.

Le principe de fonctionnement d'une centrale nucléaire

Enfin, selon le type de réacteur, la réaction de fission peut se faire avec des neutrons plus ou moins énergétiques :

Fission par des neutrons lents (neutrons ralentis par une série de collisions sur des noyaux). Du fait qu’ils n’apportent pas l’appoint d’une énergie cinétique importante, les neutrons lents sont capables de ne fissionner qu’une poignée de noyaux fissiles : l’uranium-235 (le seul à exister à l’état naturel), le plutonium-239 et l’uranium-233 par exemple. Mais le rendement de réaction est meilleur qu’avec des neutrons rapides, car ces neutrons lents possèdent une grande probabilité d’être capturés par un noyau fissile, puis de donner une fission.

Dans ce type de réacteur nucléaire, il existe alors un élément "modérateur", qui ralentit les neutrons émis par chaque réaction de fission. Avec un bon modérateur, il est alors possible d’obtenir une réaction en chaîne avec des combustibles à base d’uranium naturel (avec seulement 0,7% d’uranium 235), ou légèrement enrichis (de 3 à 5% d’uranium 235).

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Fission par neutrons rapides (neutrons très énergétiques, tels qu’émis par les réactions de fission). Lorsque ces neutrons interagissent avec un atome, ils sont capables de fissionner non seulement les atomes réputés fissiles, mais aussi des atomes plus lourds comme les actinides mineurs (ce qui réduit la radiotoxicité à long terme du combustible irradié). Par ailleurs, avec des neutrons rapides, il est plus facile de transformer des atomes fertiles (ex : uranium 238) en atomes fissiles (ex : plutonium 239) : il est ainsi possible de produire plus de noyaux fissibles qu’il n’en est consommé (c’est la "surgénération").

Cependant, les neutrons rapides sont difficilement capturés par les noyaux : leur probabilité d’interaction est faible. Pour compenser cette faible probabilité d’interagir, il est nécessaire d’avoir un combustible riche en éléments fissiles et des flux intenses de neutrons.

 

Les différentes filières de réacteur

Ainsi, il existe différentes filières de réacteur, selon les choix techniques retenus ; elles sont définies par les éléments suivants :

  • La nature du combustible (uranium naturel, uranium enrichi, mélange uranium-plutonium, thorium, etc.).
  • La modération neutronique : absence de modérateur pour les "réacteurs rapides", un modérateur sous forme d’eau lourde (c’est-à-dire avec du deutérium à la place de l’hydrogène classique : cela absorbe moins les neutrons que l’eau classique), d’eau classique (mais alors il peut être nécessaire d’augmenter la proportion d’atomes fissiles, par enrichissement), ou bien de graphite.
  • Le caloporteur : eau pressurisée, eau bouillante, gaz, métal liquide (sodium), ou sels fondus.

 

Citons par exemple les deux filières de réacteurs nucléaires suivantes :

Les réacteurs UNGG (Uranium Naturel Graphite Gaz), utilisant un combustible d’uranium naturel (non enrichi), modéré au graphite, et avec du gaz CO2 comme caloporteur. Il s’agit de la filière historiquement développée en France, jusqu’à son abandon en 1969 au profit de la filière des Réacteur à Eau sous Pression (REP).

Les REP utilisent un combustible en uranium enrichi, avec de l’eau légère jouant à la fois les rôles de caloporteur et de modérateur. C’est ce type de réacteur qui est en exploitation en France ; ainsi, une description plus précise de ce type de réacteur est apportée ci-après.
On parle aussi de « génération » pour désigner les évolutions technologiques intervenues ou à venir. Ainsi, l’EPR (European Pressurised Reactor) correspond à la troisième génération des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP).

 

Les réacteurs à eau pressurisée

Les réacteurs exploités par EDF en France sont de type REP ; c’est aujourd’hui la filière de réacteurs nucléaires la plus répandue dans le monde.

Ils fonctionnent avec des combustibles d’oxyde d’uranium UOX (voire aussi avec des combustibles MOX pour certains réacteurs bénéficiant d’une telle autorisation), faiblement enrichi (de 3 à 5% d’uranium 235).

Le principe de fonctionnement d'une centrale nucléaireLe combustible se présente sous la forme de « pastilles » empilées et maintenues dans des gaines en alliage de zirconium qu’on appelle « crayons » (fermés hermétiquement, pour confiner les produits de fission et les actinides, et éviter leur dissémination). Ces crayons combustibles sont agencés sous forme « d’assemblages » dont la tenue mécanique est assurée par des grilles. Selon la puissance du réacteur, le nombre d’assemblages ainsi chargés dans la cuve du réacteur peut varier entre 120 et 250. Le contrôle de la réaction est notamment assurée par des barres de contrôle, plus ou moins plongées au sein des assemblages de combustible.

Dans la cuve du réacteur, c’est de l’eau ordinaire sous pression, circulant au sein des assemblages, qui est chargée de récupérer la chaleur produite. L’eau de ce « circuit primaire » fait également office de modérateur (elle a la capacité de ralentir les neutrons de fission).

La production électrique au travers du groupe turbo-alternateur n’exploite pas directement la chaleur acquise par le circuit primaire, mais fonctionne au travers d’un « circuit secondaire » d’eau. Dans ce circuit, l’eau est vaporisée dans des « générateurs de vapeur » (par transfert de chaleur du circuit primaire, sans qu’il y ait échange de matière), avant d’alimenter le groupe turbo-alternateur et d’être recondensée.

Enfin, en plus de ces circuits primaire et secondaire, il existe un « circuit de refroidissement » permettant la condensation dans le circuit secondaire. C’est ce circuit de refroidissement qui peut faire intervenir une tour aéroréfrigérante.

Dans le parc français, les REP correspondent à plusieurs « paliers » de puissance : 900, 1300 et 1450 MWe (sans compter l’EPR qui aura une puissance de 1600 MWe).

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9 Commentaires sur "Le principe de fonctionnement d’une centrale nucléaire"

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Reivilo
Invité

Oui sans doute une rumeur, encore que l’inondation semble bien réelle, et qu’il y a quand même eu une “perte de refroidissement temporaire” reconnue par l’opérateur. Expérience rigolotte, on peut regarder cette centrale sur Google map en zoomant et on voit tous les détails Si on regarde chez nous par exemple la centrale de Chinon c’est tout flou Plus de sécurité ? peut-être mais ça signifirait qu’il y a bien un risque terroriste par exemple. En tous cas toujours du secret et un manque évident de “transparence” en France sur ce sujet.

Reiilo
Invité

Oui ce floutage Google reste mystérieux Merci pour la comparaison avec Géoportail un site français très bien puiqu’on y trouve même le potentiel éolien des régions (uniquement région PACA pour l’instant). Sur Géoportail il y a quelques temps de ça on avait carrément des dalles blanches sur les vues aériennes de centrales donc on a vraiment progressé. Avec autant de transparence on pourra bientôt tout savoir sur les vrais coûts du nucléaire, qui sait ?

Dan1
Invité
Pour Reivilo. Vous ne seriez pas le digne successeur de Chelya en qualité de Troll en chef d’Enerzine ? C’est amusant de voir écrit que le nucléaire n’est pas transparent : Allez donc voir à la page 3219/3558 du document cité. C’est pour le détail du réacteur. Pour la production historique, c’est à la page 1175/3558. Vous aurez du mal à trouver autant d’informations en ligne sur le parc éolien français, car comme l’ADEME l’écrit : Pour l’ADEME, la production d’un parc éolien c’est confidentiel ! Et vous le savez très bien puisque vous étiez commentateur sur cet article :… Lire plus »
Reivilo
Invité
Merci pour le “Troll en chef d’Enerzine” pour une fois que je disais qu’il y avait du progrès dans la transparence en nucléaire ça m’apprendra… Bon si vous voulez voir ce que produit une éolienne vous allez visiter un parc par exemple pour le “global wind day” la semaine dernière il y en avait plein d’ouverts au public. Vous demandez à rentrer dans le mat et vous voyez en direct sur le controleur ce que ça produit. Plus globalement sur les chiffres de production vous connaissez maintenant par coeur le site de RTE CO2Mix ou vous pouvez constater que ça… Lire plus »
Dan1
Invité
Je peux visiter des parc éoliens, mais curieusement l’ADEME s’entête à écrire que la production est confidentielle… bizarre, bizarre. Je n’ai aucun doute sur la capacité de production instantanée d’une éolienne. En gros il y a de la puissance quand il y a du vent et ça varie avec le cube de la vitesse dans la partie intéressante de la courbe de puissance. Une fois que l’on a dit cela, il faut dire qu’il faut produire en phase avec le besoin et là c’est plus dur. C’est pourquoi RTE publie aussi la courbe de couverture des besoins en % de… Lire plus »
Reivilo
Invité

Peut-être parceque les allemands et quelques autres ont dix ans d’avance sur nous dans l’éolien et qu’ils ont investi dans le suivi et l’intégration des renouvelables à hauteur de ce qu’on gaspille pour Iter et autres fantaisies nucléocratiques ?

jihemnet
Invité

A chaque fois que quelqu’un utilise le terme de “troll”, c’est qu’il en est le digne représentant, mais que fait le censeur?

Bachibouzouc
Invité
Les allemands ont dix ans d’avance sur nous. En effet, l’Allemagne subventionne massivement et depuis plus longtemps que nous les énergies renouvelables. Associés à des prix de l’énergie élevés, à une acceptation plus forte des allemands pour les vilaines éoliennes dans le fond de leur jardin, et une tendance naturelle de leur économie à l’innovation, l’Allemagne s’est doté d’une industrie de pointe dans les ENR. Nous sommes parfaitement d’accord la dessus. Nous serons aussi d’accord sur le fait que à cause du manque de constance et d’intensité dans notre volonté politique de développer les ENR, nous avons loupé ce coche.… Lire plus »
jihemnet
Invité

La france subventionne le nucléaire depuis des décennies, sur les 800 millions générés par le CSPE, 668 sont consacrés à la cogénération, si ca ce n’est pas de la subvention déguisée au nucléaire, tout comme le cout du démantèlement largement sous-estimé qui sera financé au final par des fonds publics.

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