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Comment fonctionne une centrale nucléaire ?

Une centrale nucléaire est une usine de production d’électricité. Elle utilise pour cela la chaleur libérée par l’uranium qui constitue le "combustible nucléaire". L’objectif est de faire chauffer de l’eau afin d’obtenir de la vapeur. La pression de la vapeur permet de faire tourner à grande vitesse une turbine, laquelle entraîne un alternateur qui produit de l’électricité.

Ce principe de fonctionnement est le même que celui qui est utilisé dans les centrales thermiques classiques fonctionnant avec du charbon, du pétrole ou du gaz… à cette différence que le combustible utilisé comme source de chaleur est constitué par l’uranium.

Le principe de production de l’électricité dans une centrale nucléaire peut donc être schématisé comme suit :

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Le processus de production d’électricité dans une centrale nucléaire à eau sous pression

Dans les centrales nucléaires françaises, relevant de la filière à eau sous pression, la production d’électricité, ainsi que le refroidissement et l’évacuation de la chaleur, s’effectuent selon le processus suivant :

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Schéma de fonctionnement d’un Réacteur à Eau sous Pression (REP)
  • Circuit primaire : pour extraire la chaleur
    L’uranium, légèrement "enrichi" dans sa variété - ou "isotope"- 235, est conditionné sous forme de petites pastilles. Celles-ci sont empilées dans des gaines métalliques étanches réunies en assemblages. Placés dans une cuve en acier remplie d’eau, ces assemblages forment le cœur du réacteur. Ils sont le siège de la réaction en chaîne, qui les porte à haute température. L’eau de la cuve s’échauffe à leur contact (plus de 300°C). Elle est maintenue sous pression, ce qui l’empêche de bouillir, et circule dans un circuit fermé appelé circuit primaire.
  • Circuit secondaire : pour produire la vapeur
    L’eau du circuit primaire transmet sa chaleur à l’eau circulant dans un autre circuit fermé : le circuit secondaire. Cet échange de chaleur s’effectue par l’intermédiaire d’un générateur de vapeur. Au contact des tubes parcourus par l’eau du circuit primaire, l’eau du circuit secondaire s’échauffe à son tour et se transforme en vapeur. Cette vapeur fait tourner la turbine entraînant l’alternateur qui produit l’électricité. Après son passage dans la turbine, la vapeur est refroidie, retransformée en eau et renvoyée vers le générateur de vapeur pour un nouveau cycle.
  • Circuit de refroidissement : pour condenser la vapeur et évacuer la chaleur
    Pour que le système fonctionne en continu, il faut assurer son refroidissement. C’est le but d’un troisième circuit indépendant des deux autres, le circuit de refroidissement. Sa fonction est de condenser la vapeur sortant de la turbine. Pour cela est aménagé un condenseur, appareil formé de milliers de tubes dans lesquels circule de l’eau froide prélevée à une source extérieure : rivière ou mer. Au contact de ces tubes, la vapeur se condense pour se transformer en eau. Quant à l’eau du condenseur, elle est rejetée, légèrement échauffée, à la source d’où elle provient. Si le débit de la rivière est trop faible, ou si l’on veut limiter son échauffement, on utilise des tours de refroidissement, ou aéroréfrigérants. L’eau échauffée provenant du condenseur, répartie à la base de la tour, est refroidie par le courant d’air qui monte dans la tour. L’essentiel de cette eau retourne vers le condenseur, une petite partie s’évapore dans l’atmosphère, ce qui provoque ces panaches blancs caractéristiques des centrales nucléaires.

Le panache blanc des centrales nucléaires…

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… est constitué par l’évaporation de l’eau utilisée pour refroidir la centrale. Ce n’est pas de la "fumée" résultant d’une combustion mais de l’air humide.

Le pilotage d’une tranche nucléaire

Une "tranche" nucléaire est l’ensemble constitué du réacteur et du système de production d’électricité qui lui est associé : la turbine et l’alternateur. Dans presque tous les cas, une centrale comporte plusieurs tranches. Toutes les fonctions importantes d’une tranche nucléaire sont commandées et surveillées depuis la salle de commande. Les opérateurs, ou "pilotes", veillent au bon fonctionnement de l’installation et ajustent la puissance du réacteur à la demande du réseau électrique.

 

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Salle de commande de la centrale de Chooz
(EDF - Photo : G. LARVOR)

La marche d’un réacteur nucléaire peut être contrôlée avec précision. Pour le faire démarrer, pour l’arrêter, pour le faire fonctionner à différents niveaux de puissance, on agit sur l’intensité de la réaction en chaîne au moyen de barres de contrôle constituées de matériaux qui ont la faculté d’absorber les neutrons. La descente de ces barres dans le cœur du réacteur provoque l’absorption des neutrons et donc le ralentissement de la réaction en chaîne.

On peut ainsi faire varier la puissance du réacteur en enfonçant plus ou moins profondément les barres de contrôle au milieu des assemblages combustibles contenant l’uranium. En cas de situations anormales, des barres de sécurité chutent automatiquement dans le cœur, stoppant instantanément le réacteur.


Des simulateurs pour entraîner les pilotes
Les opérateurs - ou "pilotes" - des centrales nucléaires, en plus de la formation spécifique les préparant au métier, suivent régulièrement des stages sur simulateurs. Ces appareils sont des répliques des salles de commande. Ils sont capables de reproduire tous les types de situation possibles, y compris les incidents et les accidents, pouvant survenir sur une tranche nucléaire. Les opérateurs sont ainsi entraînés à réagir à touts ces situations, à les identifier, à les analyser, à mettre en œuvre, dans chaque cas, les actions appropriées prévues par les procédures de sûreté.

La salle de commande

C’est le "cerveau" d’une tranche nucléaire. C’est dans la salle de commande que sont centralisées les principales données relatives au fonctionnement de la tranche. C’est de là que partent les "ordres" transmis par les opérateurs aux différents composants et systèmes. Ce "pilotage" télécommandé fait largement appel à l’automatisation et à l’informatique. Il s’agit là d’aides indispensables pour les opérateurs. Mais ce sont eux qui restent les responsables à part entière du pilotage de la tranche et qui prennent les décisions prévues par les procédures.

L’équipe d’exploitation

L’exploitation d’une centrale nucléaire met en œuvre des technologies avancées et demande un personnel spécialement formé et entraîné. L’équipe d’exploitation compte plusieurs centaines de personnes, parfois plus de mille selon le nombre de tranches que comporte la centrale. Les agents se relaient 24 heures sur 24 pour assurer la conduite et la surveillance des installations. Il se répartissent en plusieurs catégories de métiers assurant les différentes missions de l’exploitation :

  • Les agents de conduite pilotent les tranches de la centrale, se relayant jour et nuit par quarts de huit heures ;
  • Les agents de sûreté et de radioprotection veillent à la sûreté de fonctionnement des équipements et à la sécurité radiologique du personnel ;
  • Les agents de sécurité assurent la protection du site ;
  • Les agents de maintenance surveillent et entretiennent les différents composants et matériels de la tranche ;
  • Les agents de la chimie et de l’environnement analysent les fluides et gaz utilisés ou rejetés par la centrale et effectuent les contrôles de l’environnement sur le site et dans le voisinage de l’installation ;
  • Les agents de la gestion et de l’administration gèrent le budget et assurent les tâches administratives, commerciales, de relations extérieures, de communication… liées au fonctionnement de la centrale.

La maintenance

Une centrale nucléaire rassemble et relie entre eux, selon une organisation complexe, des milliers de composants : réservoirs, tuyauteries, vannes, pompes, filtres, câbles électriques, instruments de mesure, circuits informatiques, etc. Cet ensemble doit impérativement être maintenu en état de bon fonctionnement. C’est la condition pour garantir la sécurité du personnel, la sûreté et la performance de l’installation. Dans les centrales françaises, cette maintenance est organisée à trois niveaux complémentaires :

  • Maintenance quotidienne : les agents de maintenance surveillent de façon continue l’état des équipements et effectuent les ajustements ou réparations nécessaires.
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Inspection par robot MIS de la cuve du réacteur de la tranche 1 de la centrale de Nogent sur Seine
(EDF - Photo : Stephan ZAUBITZER)

 

  • Maintenance annuelle programmée : tous les ans, chacune des tranches de la centrale est arrêtée durant 5 à 6 semaines pour un rechargement en combustible et pour des opérations d’entretien de grande ampleur. A cette occasion, des techniciens et ouvriers venus d’entreprises extérieures apportent leur concours aux agents d’EDF pour ce travail de révision.
  • Visite décennale : tous les dix ans, une inspection complète et détaillée de la tranche est effectuée. Les principaux composants : cuve, circuit primaire, générateurs de vapeur, pressuriseurs, enceinte de confinement… font l’objet d’examens et tests approfondis.

Les principaux composants d’une tranche nucléaire

(Les dimensions des différents composants, données ici à titre d’exemple, se rapportent à la centrale nucléaire de Civaux, dans la Vienne, équipée de deux réacteurs de 1450 mégawatts électriques de puissance).

Bâtiment réacteur : constitué d’une double enceinte en béton, hauteur 60 m, diamètre 50 m, abrite la cuve du réacteur et les principaux composants nucléaires de la tranche.

 

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Bâtiment réacteur de la centrale de Flamanville
(EDF - Photo : Pierre BERENGER)

Cuve du réacteur : hauteur 13,66 m, diamètre 4,95 m, épaisseur 23 cm, en acier spécialement traité ; elle abrite le cœur du réacteur formé par les assemblages combustibles contenant l’uranium.

 

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Cuve de réacteur

Pressuriseur : maintient la pression à environ 155 bar, ce qui empêche l’eau du circuit primaire de bouillir.

Générateur de vapeur : reçoit l’eau chaude du circuit primaire (dans des tubes en forme de U), ce qui permet de chauffer l’eau du circuit secondaire et de la transformer en vapeur. On compte dans la plupart des cas trois générateurs de vapeur par tranche.

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Générateur de vapeur 900 MW à l’usine Framatome ANP de Chalon-Saint-Marcel

Le groupe turbo-alternateur : composé des différents corps de turbine et de l’alternateur, il est mis en mouvement par la pression de la vapeur et produit le courant électrique. Il est situé dans la salle des machines, un hall de 106 m de longueur et 47 m de hauteur.

 

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Les groupes turbo-alternateurs de la centrale de Gravelines (tranches 1 à 4)
(Photo : EDF)

Le poste électrique : reçoit l’électricité produite par les tranches de la centrale et l’évacue vers le réseau à très haute tension.

Le réfrigérant atmosphérique (également appelé tour de refroidissement ou aéroréfrigérant) : c’est, pour chaque tranche, le point d’aboutissement du circuit de refroidissement dans lequel l’eau réchauffée sortant du condenseur est refroidie par un courant d’air frais ascendant. Hauteur : 178 m ; diamètre à la base : 155 m. Une partie de l’eau s’évapore dans l’atmosphère ; l’autre partie retourne, refroidie, vers le condenseur. (Certaines centrales nucléaires ne possèdent pas de réfrigérant atmosphérique. Elles sont refroidies uniquement par l’eau venant de la rivière ou de la mer).

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Réfrigérants atmosphériques de la tranche 2 de la centrale de Civaux
(EDF - Photo : Claude PAUQUET)

 

Les différentes filières de centrales nucléaires

Il existe différents modèles - ou "filières" - de centrales nucléaires, se caractérisant par trois principaux éléments et leur association :

  • le combustible : uranium naturel, uranium enrichi, plutonium ;
  • le modérateur (substance utilisée pour favoriser le développement de la réaction en chaîne) : eau ordinaire, eau lourde, graphite ;
  • la caloporteur (fluide d’extraction de la chaleur produite par le combustible nucléaire) : eau ordinaire sous pression ou bouillante, eau lourde, gaz carbonique, sodium, hélium.

Les centrales nucléaires françaises appartiennent à la filière à eau sous pression. Combustible : uranium légèrement enrichi ; modérateur et caloporteur : eau ordinaire sous pression. Cette filière REP (Réacteur à Eau sous Pression) est la plus répandue dans le monde. Les centrales françaises sont réalisées par séries standardisées correspondant à différents paliers de puissance électrique des réacteurs : 900, 1300, 1450 mégawatts.