Comment une centrale nucléaire produit-elle de l’électricité ?
La fission d’atomes radioactifs dans le cœur d’un réacteur nucléaire génère de l’énergie qui permet de chauffer de l’eau. La vapeur qui en résulte actionne une turbine qui, couplée à un alternateur, crée l’électricité.
Une centrale nucléaire est une centrale électrique thermique, c’est-à-dire que sa production d’électricité provient d’une source de chaleur. Comme les centrales thermiques fossiles (gaz, charbon, pétrole) ou renouvelables (biogaz, biomasse, solaire à concentration), une centrale nucléaire utilise de la chaleur pour chauffer de l’eau et générer de la vapeur, laquelle actionne une turbine qui, couplée à un alternateur, génère de l’électricité. Toutefois, contrairement aux autres centrales thermiques, la chaleur nécessaire pour générer de la vapeur n’est pas obtenue par la combustion chimique ou par la concentration de rayonnements solaires mais par la fission nucléaire.
La fission nucléaire est le phénomène physique décrivant la division d’atomes radioactifs. En se divisant, ces atomes libèrent de l’énergie sous forme de neutrons. Au cœur d’une centrale nucléaire, c’est la fission de noyaux d’uranium ou de plutonium qui génère la chaleur nécessaire à la production d’électricité.
Les réacteurs à eau pressurisée
Dans un réacteur à eau pressurisée, trois circuits d’eau, fermés et étanches les uns les autres, sont nécessaires pour produire de l’électricité. Le circuit primaire est intégré dans l’enceinte de confinement du réacteur où se déroule la réaction nucléaire. L’eau chauffée y est pressurisée et mise en contact avec le circuit secondaire par l’intermédiaire d’un générateur de vapeur. Après avoir été envoyée dans la turbine, la vapeur est retransformée en eau grâce à un condenseur où elle est mise en contact avec le circuit de refroidissement où circule de l’eau issue d’une source froide. N’entrant pas en contact avec le réacteur nucléaire, l’eau n’est ni radioactive ni polluée.
Pour le fonctionnement d’une centrale nucléaire, trois éléments sont à prendre en compte : le combustible nucléaire, la fission nucléaire et le caloporteur et le générateur de vapeur.
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.
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).