Le fonctionnement d'une centrale nucléaire

Comme les centrales thermiques brûlant des combustibles fossiles (pétrole, gaz, charbon) ou hydrauliques (barrages), une centrale nucléaire est une usine de production d’électricité. Une centrale nucléaire, comme une centrale thermique, utilise le même principe de fonctionnement, à savoir la transformation de chaleur en électricité.

Toutefois, alors que dans une centrale thermique cette chaleur est produite par de la combustion classique, dans une centrale nucléaire, c’est la fission d’un noyau atomique qui permet de produire cette chaleur. Dans les deux cas, l’objectif est de faire chauffer de l’eau afin d’obtenir de la vapeur. La pression de la vapeur permet de faire tourner une turbine couplée à un alternateur qui produit de l’électricité.

 

Le cœur du réacteur

Le combustible nucléaire

Le combustible d’une centrale nucléaire contient des atomes fissiles c’est-à-dire des atomes dont le noyau a la capacité de se casser sous l’action d’un neutron, et, ce faisant, de libérer une quantité considérable d’énergie. D’où le nom de « combustible » par analogie avec la matière fossile brûlée dans une centrale thermique classique. Les principaux atomes fissiles sont l’uranium 233, l’uranium 235, le plutonium 239 et le plutonium 241. Seul l’uranium 235 se trouve à l’état naturel. C’est donc le plus souvent lui qui est utilisé comme combustible dans les centrales nucléaires. Le combustible nucléaire est placé dans le cœur du réacteur.

La fission nucléaire

Quand un noyau d'uranium 235 absorbe un neutron, il peut se fractionner en deux fragments. Ce phénomène, appelé « fission », génère une grande quantité d’énergie sous forme de chaleur. Le principe d’un réacteur nucléaire consiste à récupérer cette chaleur pour chauffer un fluide et produire de la vapeur qui permettra d’activer la turbine. Chaque fission produit à son tour des neutrons d’énergie élevée qui, en se déplaçant parmi les atomes d’uranium 235 ou de plutonium, peuvent provoquer la fission d’un nouveau noyau d’atome d’uranium 235 et générer ainsi des réactions en chaîne (cascade de fissions). Dans un réacteur nucléaire, la réaction en chaîne est maîtrisée et se maintient à un rythme de fissions constant grâce à des barres de contrôle qui régulent le nombre de neutrons et à un modérateur qui régule leur vitesse (ralentissement des neutrons afin d’augmenter les chances qu’ils provoquent une fission). La fission d'un gramme d'uranium produit plus de chaleur que la combustion d'une tonne de pétrole.

Le caloporteur et le générateur de vapeur

L’énergie libérée sous forme de chaleur doit être récupérée pour produire de l’électricité. C’est le caloporteur, un fluide pouvant être un gaz ou un liquide, qui joue ce rôle. Le caloporteur s’échauffe au contact du combustible chauffé par les fissions. En circulant autour des barreaux d’uranium, il récupère la chaleur du combustible pour la transporter hors du cœur du réacteur. Dans le même temps, il maintient la température de celui-ci à une valeur compatible avec la capacité de résistance des matériaux qui composent sa structure.


Les différents types de réacteurs

Il existe différents types de réacteurs : les réacteurs à neutrons rapides (RNR), qui n’ont pas de modérateur, les réacteurs modérés au graphite avec différents caloporteurs comme l’eau bouillante pour les RBMK de conception soviétique, le dioxyde de carbone pour les anciens réacteurs de conception française (filière uranium naturel graphite gaz ou « UNGG ») ou pour les AGR (advanced gas-cooled reactors) et les réacteurs Magnox anglais, ou encore l’hélium pour les réacteurs à haute température, les réacteurs modérés par de l'eau lourde tels que les réacteurs CANDU (filière canadienne dite aussi PHWR car c’est aussi de l’eau lourde pressurisée qui est utilisée comme fluide caloporteur), les réacteurs modérés ET refroidis à l’eau ordinaire avec les deux grandes variantes que sont les réacteurs à eau bouillante (REB ou  BWR en anglais) et les réacteurs à eau sous pression (REPou PWR en anglais).

Les réacteurs à eau sous pression produisent environ les deux tiers de l’électricité mondiale d’origine nucléaire

En France, tous les réacteurs nucléaires, sont aujourd’hui des REP : 34 délivrent une puissance de 900 MWe (mégawatts électriques), 20 une puissance de 1 300 MWe et 4 une puissance de 1 450 MWe.

Les réacteurs nucléaires ont été classés en plusieurs générations

Ce classement tient compte de l'âge de la conception. Les réacteurs actuellement en service sont dits de génération II (voire I pour les plus anciens; e.g. Magnox et AGR au Royaume-Uni). Les réacteurs actuellement en construction (EPR, AP1000) sont dits de génération III ou III+ (voire II+ pour les CPR1000 chinois). Les réacteurs de génération IV sont à l'étude.


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, le combustible (pastilles d’uranium), situé dans la cuve du réacteur, chauffe l’eau du circuit primaire, qui lui-même chauffe l’eau du circuit secondaire et la transforme en vapeur, entraîne à son tour un alternateur qui va produire un courant électrique alternatif. 

Le circuit primaire : pour extraire la chaleur

L’uranium, légèrement « enrichi » en isotope 235, est conditionné sous forme de petites pastilles qui 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 et est maintenue sous pression, ce qui l’empêche de bouillir (réacteurs REP). Elle circule dans un circuit fermé appelé circuit primaire.

Le 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 du générateur de vapeur. Au contact des tubes parcourus par l’eau du circuit primaire qui a été échauffée en traversant le cœur, 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 par un troisième circuit d’eau froide pour être retransformée en eau et renvoyée vers le générateur de vapeur pour un nouveau cycle.

Le 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 que l’on vient d’évoquer. Il est indépendant des deux autres. Sa fonction est de condenser la vapeur sortant de la turbine via un appareil formé de milliers de tubes (le condensateur) dans lesquels circule de l’eau froide prélevée à une source extérieure : rivière ou mer. Au contact de ces tubes, la vapeur se retransformer en eau. L’eau du condenseur, qui n’a pas été au contact d’éléments radioactifs, est ensuite rejetée, légèrement chauffée, 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 chaude 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 (mais certaines centrales thermiques possèdent le même système de refroidissement).


Les différents bâtiments d’une centrale nucléaire et leur rôle

Une centrale nucléaire regroupe l'ensemble des installations permettant la production d'électricité. Chaque tranche correspond à un groupe d'installations conçues pour fournir une puissance électrique donnée. Une centrale nucléaire comprend fréquemment plusieurs réacteurs installés sur le même site, appelés parfois « tranches », identiques ou non.

La salle de commande

Chaque réacteur nucléaire dispose d’une salle de commande. Les opérateurs centralisent l’ensemble des données liées au fonctionnement du réacteur et prennent les décisions concernant notamment la modulation de la puissance du réacteur (augmenter ou diminuer la puissance de celui-ci).

La salle de commande doit prendre en charge des dysfonctionnements occasionnels au fur et à mesure qu’ils se présentent. Loin d’être réduits à un dispositif passif de surveillance d’un système technique très automatisé, les membres de l’équipe sont au centre d’un flot d’activités très hétérogènes (discussions, lecture, écriture, coups de téléphones, etc.) visant à gérer en temps réel les problèmes très variés qu’occasionne le fonctionnement quotidien et normal d’une installation complexe.

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Salle de commande du réacteur EPR de Flamaville – Copyright : MORIN ALEXIS

Le bâtiment réacteur

Il se compose généralement d’une enceinte (cette enceinte est double dans le cas du réacteur EPR) étanche qui contient la cuve principale renfermant le cœur du réacteur nucléaire, le pressuriseur  (pour maintenir l'eau du circuit primaire à l'état liquide), les générateurs de vapeur (trois ou quatre selon la puissance de la centrale), les pompes primaires (pour faire circuler le fluide caloporteur), le circuit d'eau primaire, (pour assurer le transfert thermique entre le cœur du réacteur et les générateurs de vapeur) et une partie du circuit d'eau secondaire.

Le bâtiment combustible

Accolé au bâtiment réacteur, il sert de stockage des assemblages du combustible nucléaire avant leur chargement dans le cœur (combustibles neufs) ou après leur déchargement du cœur (combustibles usés). Comme les combustibles usés dégagent encore de la chaleur une fois déchargés (du fait de leur très grande radioactivité), l’eau de la piscine sert au refroidissement de ces combustible usés (un tiers ou un quart du combustible est remplacé tous les 12 à 18 mois). Le combustible est maintenu immergé dans ces piscines dont l'eau sert d'écran radiologique.

La salle des machines

Elle abrite la turbine à vapeur et l'alternateur , le condenseur, suivi de turbopompes alimentaires et les locaux périphériques d’exploitation, notamment la salle de commande, . Vvéritable « 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.

Une station de pompage

Elle est nécessaire pour assurer les besoins en eau.

L’importance de l’eau

Le nucléaire utilise de l’eau pour des besoins de refroidissement indispensables au procédé de production d’électricité.

Pour assurer le confinement de la radioactivité à l’intérieur du circuit primaire uniquement, les eaux contenues dans les autres circuits (le circuit secondaire et le circuit de refroidissement) ne se mélangent pas.

Les centrales implantées en bord de mer ou sur des fleuves à gros débit fonctionnent en circuit ouvert : l’eau, prélevée à raison de plusieurs dizaines de m3/s, est intégralement restituée au milieu aquatique, réchauffée de quelques degrés. Lorsque le fleuve n’a pas un débit suffisant ou s’il y a plusieurs centrales rapprochées le long d’un même cours d’eau, les installations sont équipées de tours aéroréfrigérantes (on parle de circuit fermé). La quantité d’eau prélevée est alors de l’ordre de quelques m3/seconde seulement.

Une ou plusieurs tours de refroidissement

C’est l’édifice le plus visible des centrales thermiques ou nucléaires. Ces aéroréfrigérants n'équipent que les centrales dont la source froide ne permet pas d'évacuer la chaleur nécessaire au fonctionnement et permettent ainsi de diminuer la pollution thermique de cette source froide. Certaines centrales nucléaires ne possèdent pas de réfrigérant atmosphérique. Elles sont refroidies uniquement par l’eau venant de la rivière ou de la mer.

 
QUID DES PRELEVEMENTS D'EAU ?
L’eau nécessaire au refroidissement des centrales nucléaires est directement prélevée dans la mer ou les cours d’eau. Le volume de ces prélèvements est réglementé et contrôlé. Contrairement aux idées reçues, une centrale consomme très peu d’eau. En effet, 97,5 % de l’eau prélevée est restituée à l’environnement, évaporée ou retournée dans le milieu initial, sans être polluée.