Différence avec une centrale thermique classique

Pour augmenter le rendement, on met le circuit d'eau sous pression pour que l'eau bout 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 cas extrème, ce sont les réacteurs à eau supercritique, qui fonctionnent à une température et pression tellement élevées qu'il n'y a plus de différence entre la phase liquide et gazeuse. L'eau supercritique est particulièrement corrosive (surtout en milieur radioactif) et les tests sont encore en cours.

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 goutelettes 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.

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. Le rejet d'eau chaude dans le cours d'eau entrainerait la mort de toute la vie aquatique. Il n'y a de centrales nucléaires que près des fleuves où le débit est suffisant. 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.

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.

L'effet Cerenkov est décrit sur la page du bassin de refroidissement du carburant nucléaire

Entretien

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 tellement 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 réduite. 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.