Centrale nucléaire
Comment fonctionne une centrale nucléaire
 
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Une centrale nucléaire, c'est tout simple. L'explication complète en une seule page.

Une centrale nucléaire ne diffère pas tellement d'une centrale thermique classique qui fonctionne au charbon, au mazout ou au gaz naturel. On chauffe de l'eau qui entre en ébullition et la vapeur entraine une turbine. Il y a longtemps, on utilisait une machine à vapeur, maintenant une turbine mais il n'y a pas beaucoup de différence. Une turbine peut produire une puissance plus élevée par surface au sol et se compose de moins de pièces en mouvement.

Pour augmenter le rendement, on met le circuit d'eau sous pression pour que l'eau boût à une température plus élevée (c'est le résultat des lois de la thermodynamique). Plus l'eau est chaude, et plus le rendement augmente (mais plus les tuyaux et les réservoirs doivent avoir des parois épaisses pour contenir la pression).

Le rendement peut également être augmenté en construisant la turbine en plusieurs étages pour permettre un transfert de l'énergie le plus optimal possible. Entre chaque étage il y a un séparateur pour évacuer les goutelletes d'eau et un surchauffeur pour réchauffer la vapeur pour être sûr que des goutelettes ne se formeront pas. Quand la température diminue, il y a condensation d'une partie de la vapeur. Il ne peut pas y avoir de goutelettes d'eau, car à la longue elles pourraient endommager les pales de la turbine.

PWR: Pressurised Water Reactor

La plupart des centrales nucléaires sont de type PWR ou REP (récteur à eau pressurisée). Ce type de centrale se compose de trois circuits d'eau distincts:

  • Le circuit primaire (en rouge)
    De l'eau sous très forte pression (155 bars) circule du réacteur à un échangeur de chaleur et retourne ensuite au ré&acteur, entrainé par une pompe puissante.

    Un pressuriseur qui fonctionne un peu comme un vase d'expansion maintient le circuit à la bonnen pression. La température dans le pressuriseur est maintenue plus élevée que dans le reste du circuit, et une partie de l'eau se transforme ici en vapeur, assurant l'amortissement des variations de densité de l'eau.

    La température de l'eau est d'environ 300°C, dans le pressuriseur elle est de 340°.

  • Circuit secondaire (au milieu)
    L'eau est portée à ébullition dans le premier échangeur de chaleur et entraine une turbine. Ici, l'eau peut entrer en ébullition car la pression est maintenue plus basse. La turbine se compose ici aussi de plusieurs étages. La vapeur d'eau se condense totalement dans le condenseur.

    Le circuit secondaire correspond à celui d'une centrale thermique traditionelle, mais le premier échangeur de chaleur est alors une chaudière qui est alimentée en combustible fossile.

  • Le circuit tertiaire permet d'évacuer la chaleur pour que la vapeur qui a fait son travail puisse à nouveau se condenser. L'eau est collectée d'un cours d'eau ou de la mer.

Il y a souvent une tour de refroidissement tout comme avec une centrale thermique classique. L'eau chaude est injectée à mi-hauteur de la tour et ruisselle via un labyrinthe vers le collecteur à la base de la tour. Une partie de l'eau chaude se transforme en vapeur. L'utilisation d'une tour de refroidissement permet de limiter la charge thermique du cours d'eau, mais avec comme inconvénient qu'une partie de l'eau se transforme en vapeur. La centrale consomme ainsi environ 500 litres d'eau à la seconde du cours d'eau (cette eau se transforme en vapeur dans la tour). Les centrales près de la mer n'ont pas de tour de refroidissement, l'eau chaude est déversée en mer à quelques kilomètres du rivage où elle se mélange directement à l'eau de mer.


La centrale nucléaire de Gravelines
La centrale nucléaire de Gravelines se compose de 6 unités pratiquement identiques (on les appelle là bas des "tranches"), chaque unité pouvant produire environ 1GW.

Les réacteurs sont bien visibles, mais ce qu'on voit en fait sont les enceintes de confinement en béton armé de plus d'un mètre d'épaisseur. Tout le circuit primaire s'y trouve, ainsi que le premier échangeur de chaleur du circuit secondaire.

Entre deux réacteurs il y a un batiment où les tiges de combustible sont gardées sous eau jusqu'à la réduction de la radioactivité naturelle. La présence de bore dans l'eau empèche une réaction en chaine.

Dans les batiments en dessous se trouvent les turbines, les alternateurs et le second échangeur de chaleur. La tension de 20kV de l'alternateur est élevée au niveau du réseau de distribution.

Les batiments de l'autre coté des réacteurs contiennent les installations de filtration de l'eau de mer. Cette eau sert à refroidir le circuit secondaire. En cas de calamité, cette eau peut également être utilisée pour refroidir les installations du réacteur même.

Il n'y a pas de tour de refroisissement, l'eau chaude étant déversée en mer.

Une centrale nucléaire diffère encore sur un point d'une centrale classique par la présence d'un batiment combustible où sont stockés les tiges de combustible pendant leur période de désactivation. Cette période de désactivation dure quelques années et dépend de l'état du combustible dans la tige.

Comment fonctionnele réacteur

Le réacteur est l'endroit ou la chaleur est produire. Des composés radioactifs comme l'uranium sont instables et une fission spontanée se produit, libérant de l'énergie thermique et quelques neutrons. Cette radioactivité naturelle est trop faible pour faire tourner la centrale (tu peux utiliser la chaleur pour réchauffer ta piscine de jardin, mais c'est tout).

Les neutrons libérés lors de la fission peuvent produire de nouvelles fissions, qui à leur tour produisent des neutrons, etc. C'est la réaction en chaine. C'est une réaction qui est utilisée dans les bombes atomiques, mais qui doit être maitrisée dans le cas des centrales nucléaires.

Dans notre réacteur nous avons donc la radioactivité naturelle et la radioactivitée induite par les neutrons. Pour que la réaction puisse se mettre en route il faut une masse critique, autrement il y a trop de neutrons qui se perdent.

Une masse trop élevée n'est pas bonne non plus, car elle rend le réacteur plus difficile à controler. Un réacteur moderne produit une puissance de 1GW (ordre de grandeur). Les réacteurs plus anciens étaient un peu moins puissants. Une centrale nucléaire se compose de plusieurs réacteurs (à Doel il y en a 4).

La quantité d'uranium dans le cœur du réacteur dépasse grandement la masse critique à partir de laquelle une réaction en chaine peut commencer. Et pourtant, il ne se passe rien. Les barres chauffent par la radioactivité naturelle, mais c'est tout.

Ce qui nous manque, c'est un modérateur. Ce modérateur, comme son nom ne l'indique pas va augmenter les réactions nucléaires. En effet, les neutrons libérés par la fission sont des neutrons rapides qui se perdent sans pouvoir activer d'autres atomes d'uranium. Le modérateur ralentit la vitesse des neutrons, qui peuvent alors produire de nouvelles réactions de fission.

Et c'est quoi le modérateur? Bin tout simplement de l'eau pure. C'est donc la présence d'eau qui met le réacteur en marche, ce qui est un très grand avantage.

Supposons que le réacteur produise trop de puissance qui ne peut être évacuée (arrêt d'urgence d'une turbine, pompe à eau en panne, déconnection du réseau, etc). L'eau dans le réacteur chauffe de plus en plus et se dilate. Il peut même se produire de petites bulles de vapeur d'eau. Comme la densité de l'eau diminue, son effet de modération diminue également, réduisant automatiquement la puissance produite par le réacteur.

Dans le cas d'une forte réduction de la puissance demandée an aval, on ne va pas seulement se baser sur la dilatation de l'eau pour réduire la puissance, mais on va également jouer sur la position des barres de controle pour absorber les neutrons exédentaires.

Un réacteur à eau pressurisée est donc intrinsèquement fiable, c'est pour cette raiqon que ce système est le plus utilisé. Quand la réaction en chaine a tendance à s'emballer, la dilatation de l'eau du circuit primaire limite automatiquement la puissance. Pour avoir une centrale sûre, il faut surtout que la chaleur puisse de tout temps être évacuée.

En plus de l'eau comme modérateur, on utilise du bore pour réduire le nombre de réactions de fission. Les barres de controle contiennet du bore, mais on ajoute également une très faible quntité d'acide borique à l'eau du circuit primaire. Le bore (et en particulier l'isotope bore-10) absorbent les neutrons.

Le bore est utilisé pour controler ou stopper la réaction en chaine via les barres de controle. La quantité de bore dans l'eau du circuit primaire est adaptée à l'état du combustible (au fur et à mesure qu'il s'use et devient moins réactif on réduit la quantité de bore pour avoir toujours le même comportement dynamique du réacteur).


Stockage momentané des tiges de carburant

Entretien

Chaque année on remplace 1/4 des tiges de carburant. Les tiges sont stockées dans un bassin de désactivation contenant de l'eau + acide borique pendant quelques années, le temps que la radioactivité naturelle (celle qu'on ne peut pas limiter) se soit réduite. Le bore fait en sorte que seul la radioactivité naturelle entre en jeu, il n'est pas possible qu'une réaction en chaine puisse démarrer, malgré la grande quantité de carburant stocké dans la piscine. Les tiges sont ensuite recyclées: elles contiennent en effet encore 96% de carburant.

Pourquoi remplacer les tiges si rapidement? La fission nucléaire produit de nouveaux éléments chimiques dont certains sont beaucoup plus radioactifs que l'uranium. Il s'agit ici de la radioactivité naturelle qu'on ne peut absolument pas réduire par les barres de controle: les tiges usées produisent donc plus de chaleur "naturelle" (on appelle cela la puissance résiduelle). Un réacteur avec des tiges usagées est un peu moins sûr qu'un réacteur avec des barres neuves. Il faut un refroidissement plus poussé quand le réacteur est à l'arrêt.

De plus, certains de ces éléments ont tendance à absorber les neutrons (on parle d'empoisonnement du réacteur). Au fur et à mesure que les tiges s'usent, il faut réduire la concentration de bore dans l'eau du circuit primaire. L'effet est même tellment marqué qu'il empèche le redémarrage du réacteur dans les semaines qui suivent une mise à l'arrêt: il faut attendre que ces composants se transforment par fission naturelle, et après cela le réacteur peut être relancé.

L'empoisonnement du réacteur peut avoir des conséquences facheuses. Supposons que le réacteur travaille à faible puissance. Les composants nocifs sont lentement éliminés, mais leur remplacement est faible parce que le réacteur fonctionne à puissance rédduite. Comme la quantité de poison neutronique diminue, le réacteur va automatiquement "accélerer": l'auto-régulation du réacteur tant recherchée ne joue plus. C'est pour la même raison qu'on préfère laisser travailler le réacteur à sa puissance nominale: le changement de régime peut rendre le réacteur moins stable.

Mesures de sécurité

En cas de calamité (par exeple une fuite dans le circuit primaire), les barres de controle sont directement introduites dans le réacteur. C'est une opération automatique qui fonctionne même en cas de coupure de courant généralisée: les barres de controle sont maintenues par des électro-aimants qui lachent les barres quand le courant est interrompu.

Pour éviter une perte de liquide réfrigérant, il y a un réservoir sous pression contenant de l'eau additionnée de bore. Ici aussi la protection est automatique: la chute de pression dans le réacteur fait ouvrir les vannes. Il y a souvent 4 réservoirs sous pression, alors qu'un seul est suffisant pour maintenir le réacteur sous eau.

Lors de la fission nucléaire, il y a des éléments radioactifs qui sont produits. Ces éléments ont généralement une durée de vie limitée (dix secondes à plusieurs jours), mais leur radioactivité est très intense. La radioactivité naturelle, comme vous le savez maintenant ne peut pas être limitée.

Quand le réacteur est mis à l'arrêt pour l'une ou l'autre raison, les réactions de fission naturelle continuent encore et produisent uen quantité appréciable de chaleur (6.5% de la puissance nominale du réacteur). A l'arrêt, la réaction en chaine n'est pas possible, mais la chaleur produite (puissance résiduelle) doit malgré tout être évacuée.

Il y a plusieurs systèmes de pompes qui font circuler l'eau de refroidissement. Ce sont des pompes électriques de forte puissance (pas moins de 8MW par pompe) qui sont alimentées par la production propre (alternateur), par le réseau (s'il est disponible) et par des groupes électrogènes de secours. Mais il y a également des pompes de secours qui sont entrainées directement par la vapeur, dans le cas où une catastrophe majeure aurait détruit toutes les installations électriques.

Le refroidissement du cœur du réacteur est très important pour éviter que celui ci ne surchauffe, fonde, perce les parois du réacteur et ne détruise l'enceine de confinement.

Autres versions

Eau lourde

L'eau du robinet (l'eau normale quoi) a un inconvénient: elle absorbe également les neutrons. Cela oblige les fabricants à utiliser de l'uranium enrichi, autrement il ne serait pas possible d'amorcer la réaction en chaine. Les tiges contiennent plus d'U235 (l'isotope fissible). Combien? Environ 4% pour les réacteurs civils et 20% pour les réacteurs dans les navires militaires. La concentration élevée d'U235 permet de construire des réacteurs proportionnelement plus petits.

Si par contre on utilise de l'eau lourde (avec du deutérum à la place de l'hydrogène) on a toujours l'effet modérateur recherché, mais l'absorption de neutrons est limitée, ce qui permet d'utiliser de l'uranium naturel (non enrichi) et d'arriver malgré tout à une réaction en chaine. Le deuterium est un isotope stable (non radioactif) de l'hydrogène présent naturellement dans l'eau à raison d'un atome de deutérium sur 6420.

Les allemands qui voulaient construire une bombe atomique n'avaient pas les moyens de produire de l'uranium enrichi (le procédé est complexe, lent et nécessite beaucoup d'énergie). Pour cela ils ont misé sur la filière eau lourde (produite en Norvège), mais ils n'ont pas eu le temps de fabriquer un réacteur ou une bombe.

L'eau lourde n'est pas beaucoup plus lourde que l'eau normale: 11%, parce que le poids de l'eau provient principalement de l'oxygène, pas de l'hydrogène.

Ces réacteurs sont toujours de type à eau pressurisée (l'eau du circuit primaire ne boût pas). Le combustible doit être remplacé plus souvent et les centrales sont conçues différemment pour permettre un rempalcement de combustible pendant que la centrale est en fonctionnement.

BWR au lieu d'un PWR

Il existe des réacteurs où l'eau du circuit primaire entre en ébullition (BWR: boiling water reactor). Ici aussi l'eau forme un système de régulation: si la température monte trop, il y a plus d'eau qui est vaporisée et la réaction en chaine est automatiquement réduite.

  1. Cuve du réacteur
  2. Tiges de combustible
  3. Barres de controle
  4. Pompes de circulation interne
  5. Commande des barres
  6. Vapeur d'eau sous pression
  7. Alimentation en eau
  8. Turbine haute pression
  9. Turbine basse pression
  10. Alternateur
  11. Excitatrice
  12. Condenseur
  13. Prise d'eau de refroidissement
  14. Réchauffeur (pour éviter les chocs thermiques)
  15. Pompes circuit primaire
  16. Pompes circuit de refroidissement
  17. Einceinte de confinement
  18. Connection au réseau électrique
Une telle installation ne peut pas avoir d'acide borique dans l'eau de refroidissement: la régulation doit donc se faire uniquement avec les barres de controle. Dans la plupart des ystèmes, les barres de controles sont introduites par le bas du réacteur.

Les turbines placées dans le circuit primaire doivent être placées dans l'enceinte de confinement. Le batiment du réacteur est nettement plus grand et n'a pas la forme de dôme des réacteurs PWR. Il n'est pas possible d'effectuer des opérations de maintenance (turbine, alternateur, condenseur,...) pendant la marche du réacteur. Il est par contre possible de placer les pompes d'alimentation en eau hors de l'enceinte.

Et pour terminer, quelques catastrophes nucléaires (centrales électriques uniquement)

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