Une centrale nucléaire, comment ça marche ?

Article niveau fin de collège 👽👽👽
Note : si tu arrives directement sur ce billet, on te conseille de relire les précédents (la radioactivité, d’où elle vient, les risques, la découverte de l’Uranium).

Dans le précédent article (ici), nous t’avons expliqué que dans une centrale nucléaire, on produisait de la vapeur permettant d’entraîner la rotation d’une grande turbine. La vapeur se forme en apportant une grande quantité de chaleur à de l’eau liquide.
Cette chaleur est produite grâce à des réactions nucléaires : on provoque la fission d’atomes d’Uranium 235, c’est-à-dire la cassure de leur noyau par l’impact d’un neutron. Et tout cela se fait en chaîne.

En France la technologie s’appelle le REP ou Réacteur à Eau sous Pression : on va te montrer aujourd’hui comment tout cela s’organise !

Produire de la vapeur
Le but est de faire chauffer de l’eau comme tu peux le faire dans une cocotte minute à la maison. Sauf qu’ici, c’est une cocotte géante et que la pression y est beaucoup plus élevée ; on te conseille de relire ce précédent billet consacré à la cocotte minute.
Cette grande cocotte s’appelle un « générateur de vapeur » et dans une seule tranche* d’une centrale nucléaire, on trouve 3 ou 4 générateurs de vapeur (cela dépend de la puissance).
* une tranche, c’est toute l’installation contenant un seul réacteur nucléaire et une turbine. Dans une centrale nucléaire française, il y a généralement plusieurs tranches à un même endroit : à la centrale de Gravelines, il y a 6 tranches !

Un générateur de vapeur est donc une enceinte contenant une réserve d’eau et des tubes en forme de U grâce auxquels se fait l’échange de chaleur : à l’intérieur de ces tubes, circule de l’eau très chaude d’un autre circuit d’eau appelé « circuit primaire » que nous verrons un peu plus loin.
L’eau qui va être transformée en vapeur circule donc dans un circuit fermé, qu’on appelle circuit secondaire : il comprend, dans les grandes lignes, des pompes pour faire circuler l’eau, les générateurs de vapeur, les conduites pour amener la vapeur jusqu’à la turbine, un condenseur pour condenser la vapeur après son passage dans la turbine et des conduites pour ramener cette eau au générateur de vapeur.

La source chaude et le circuit primaire
Mais d’où vient la chaleur reçue par l’eau du circuit secondaire ?
On l’a dit, elle provient de réactions nucléaires !

Les réactions nucléaires sont des réactions qui se produisent au sein d’une partie « sensible » de l’installation qu’on appelle « le réacteur ». Et pour récupérer la chaleur dégagée par ces réactions, c’est encore de l’eau qui va être utilisée (il y a d’autres possibilités mais dans le cas des REP, c’est de l’eau). On dit que c’est le « fluide caloporteur ». Cette eau circule dans un circuit fermé : le circuit primaire.
Mais attends un peu ! On a parlé de l’uranium, mais comment il se présente ?

La mise en forme du combustible dans une centrale nucléaire
Dans la filière REP dont il est question pour tous les réacteurs français, le cœur du réacteur contient le combustible* uranium sous forme d’oxyde d’uranium (UO₂). Celui-ci est conditionné en petites pastilles enfermées dans des gaines métalliques étanches, appelées crayons, faites d’un alliage particulier**.

* Le terme combustible est le vocabulaire utilisé pour parler des assemblages d’uranium au sein du réacteur. Il ne s’agit pourtant pas d’une combustion (qui est une réaction chimique).

** Le zirconium a été choisi pour sa faculté à laisser passer les neutrons issus de la fission.

Les crayons sont ensuite regroupés en assemblages, eux mêmes disposés dans une cuve remplie d’eau additionnée d’une solution particulière (elle contient du bore qui absorbe les neutrons).
Le cœur du réacteur, c’est l’ensemble des assemblages de combustible.

Pour éviter la dissémination de la radioactivité (particules et rayonnements) vers l’extérieur, plusieurs barrières sont prévues : la gaine métallique des pastilles, le circuit primaire la cuve et une enceinte en béton qui recouvre le tout.

Lorsqu’on veut arrêter le réacteur, un système est activé : il permet de plonger des barres faites en un matériau qui absorbe les neutrons. Les réactions s’arrêtent !

Le circuit primaire contient :

• le combustible dans le réacteur et la cuve
• de l’eau qui circule en circuit fermé et s’échauffe à plus de 300 °C par son passage dans la cuve autour du combustible : elle récupère l’énergie produite par les réactions nucléaires,
• les pompes primaires qui mettent l’eau en circulation
• un pressuriseur qui règle la pression à une valeur élevée (150 bar environ soit plus de 150 fois la pression atmosphérique : cela pour s’assurer que l’eau soit liquide à la température de 300°C au sein de la cuve)
• les générateurs de vapeur contenant plus de 3000 tubes en U.

L’eau du circuit primaire circule à l’intérieur des tubes en U, et l’eau alimentaire du circuit secondaire circule à l’extérieur : l’eau du circuit primaire cède sa chaleur à l’eau du secondaire.

En résumé
On peut donc désormais présenter un schéma explicatif complet d’une centrale à REP avec tous les circuits :

Trois circuits indépendants et fermés assurent le bon fonctionnement d’une centrale nucléaire REP :

• • le circuit primaire, où de l’eau sous pression circule en circuit fermé autour du combustible de façon à extraire l’énergie produite par les réactions nucléaires,
  • le circuit secondaire, indépendant du premier (là où se forme la vapeur cheminant vers la turbine) : ainsi la vapeur formée n’est pas en contact avec le cœur et ne contient aucune radioactivité.
  • le circuit de refroidissement permettant la condensation de la vapeur après son passage dans la turbine (ce circuit est de l’eau venant d’une rivière*, ou de la mer qui circule dans des tubes au niveau du condenseur et le refroidit).

* L’eau de la rivière est alors elle-même refroidie au sein d’un réfrigérant atmosphérique (on t’en avait parlé ici).

Est-ce que c’est dangereux ?

La question de la sûreté des installations et celle de la gestion des déchets (le combustible qui a séjourné dans le réacteur est qu’on ressort lorsqu’il est « usé ») restent des préoccupations fortes, pour lesquelles des réponses existent et méritent un approfondissement.

Nous reviendrons sur la gestion des déchets et de la sécurité un peu plus tard (voir le billet sur Tchernobyl ici)

Auteur : Pascale Baugé du blog « Le Monde et Nous«