Une centrale nucléaire a pour vocation la production d'électricité. Au même titre que les chaudières au gaz ou au fioul, l'objectif est de produire de la vapeur grâce à une source d'eau et de chaleur et d'utiliser cette vapeur pour faire tourner une turbine qui à son tour entraîne un alternateur.

Le principe de fission nucléaire

Les atomes et la radioactivité Un atome de matière est constitué d'un noyau de protons et de neutrons, et d'un nuage d'électrons. La radioactivité est un phénomène naturel spécifique à certains atomes appelés radionucléides. Contrairement à la majorité des atomes constituant la matière dont le noyau est relativement stable, les radionucléides ont un noyau instable et ont tendance à se transformer en d'autres atomes radioactifs ou non. Cette instabilité peut être due à un excès de protons, de neutrons voire des deux. Les radioisotopes existent naturellement mais peuvent aussi être produits artificiellement par une réaction nucléaire. Ces transformations s'accompagnent de l'émission de rayonnements pouvant avoir des impacts sanitaires et environnementaux en fonction de leur nature et de la durée d'exposition.

Dans le cas des centrales nucléaires, la chaleur a comme source une réaction particulière : la fission nucléaire. Certains atomes ont un gros noyau capable de se casser en deux sous l'effet d'une collision avec un projectile. Les plus connus sont l'uranium 235 et le plutonium 239. Le neutron est le projectile le plus utilisé car il n'est pas chargé électriquement et relativement léger.
Cette cassure libère une grande quantité d'énergie sous forme d'énergie cinétique : les deux morceaux finaux, la plupart du temps radioactifs, sont éjectés à grande vitesse. À l'image d'une boule de billard, ils entrent en collision avec les autres atomes présents autour d'eux. Ces chocs en cascade les ralentissent mais entraînent une libération de chaleur. C'est cette chaleur qui est ensuite valorisée sous forme d'électricité.

Chaque fission libère également deux à trois neutrons qui constituent de nouveaux projectiles capables de provoquer de nouvelles fissions et ainsi de suite… Dans un réacteur nucléaire ces réactions en chaîne sont maîtrisées de manière à avoir un nombre de fission constant. La quantité de chaleur produite est ainsi contrôlée.

Les composants d'un réacteur nucléaire

Pour faire fonctionner un réacteur nucléaire, il est donc nécessaire de disposer d'un combustible contenant des atomes fissibles, d'un système capable de piéger les neutrons excédentaires pour maîtriser la réaction, d'un élément chargé de ralentir les neutrons pour qu'ils aient la vitesse adéquate pour provoquer des fissions et d'un matériau caloporteur pour récupérer la chaleur produite.

Le combustible

Le montage du combustible Une fois enrichi, le combustible est broyé finement puis cuit afin d'obtenir de petits cylindres d'1 cm de long et gros comme des petits morceaux de craie, appelés "pastilles". Les pastilles sont ensuite enfilées dans de longs tubes métalliques de 4 m de long, étanches, pour constituer les "crayons" de combustible. Ces crayons sont à leur tour assemblés en "fagots". Chaque assemblage contient 264 crayons. Le chargement d’un réacteur nucléaire de 900 mégawatts (millions de watts) nécessite 157 assemblages contenant en tout 11 millions de pastilles.

Plusieurs atomes peuvent être intéressants pour servir de combustible : uranium 233, uranium 235, plutonium 239 et le plutonium 241. Mais seul l'uranium 235 se trouve à l'état naturel. Il est donc très souvent utilisé.
Si l’uranium est un métal relativement répandu dans l’écorce terrestre, il ne s’extrait pas directement sous sa forme pure. Le cycle du combustible nucléaire commence donc par l’extraction du minerai uranifère dans des mines à ciel ouvert ou en galeries souterraines. La teneur du minerai en uranium est en général assez faible (entre 0,1 et 0,5 % en France). Il est donc indispensable de le concentrer par diverses opérations chimiques. Il doit ensuite être débarrassé des impuretés par différentes étapes de purification puis converti en tétrafluorure d’uranium (UF4) constitué de quatre atomes de fluor et d’un atome d’uranium.

Une fois l'uranium concentré, il faut ensuite "l'enrichir" pour obtenir un combustible dont la proportion d’uranium 235 se situe entre 3 et 5 %. L'objectif est donc de séparer l'uranium 235 de l'uranium 238, un isotope légèrement plus lourd naturellement présent mais inintéressant pour la fission nucléaire. De tous les procédés d’enrichissement étudiés jusqu’à présent, deux ont été développés à l’échelle industrielle : la diffusion gazeuse et l’ultracentrifugation. Les deux techniques utilisent la différence de poids entre les deux isotopes pour les séparer.

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Le piégeur de neutron ou barres de contrôle

Pour contrôler la réaction, des barres de contrôles sont chargées d'absorber le surplus de neutrons. Souvent constituées de bore, ces barres sont mobiles au cœur du réacteur et peuvent être plus ou moins enfoncées en fonction du nombre de neutrons à absorber. L'enfoncement complet de ces barres arrête presque instantanément la réaction en chaîne.

Le caloporteur

Il s'agit souvent d'un fluide qui circule entre les barreaux de combustible pour récupérer la chaleur produite. Toutefois il n'entre pas directement en contact avec le combustible qui est encapsulé dans un caisson étanche. Ce fluide permet également de maintenir une température compatible avec la tenue des matériaux pendant la réaction.
Le caloporteur sort du réacteur à une température comprise entre 300 et 550 degrés celsius (°C). Il va ensuite céder sa chaleur à de l'eau qui va alors se vaporiser et entraîner la turbine de la centrale. Cette vapeur est ensuite refroidie dans un condenseur grâce à de l'eau provenant de l'extérieur de la centrale (eau de mer ou de rivière).

Le ralentisseur de neutron ou modérateur

Lorsque les neutrons sont trop rapides, ils passent trop vite à côté des atomes de combustible pour provoquer des chocs et des fissions. Il faut donc les ralentir en les faisant traverser une matière composée d'atomes qui ne réagissent pas avec eux mais sur lesquels ils rebondissent en perdant de la vitesse.

Tous ces éléments sont regroupés dans la cuve du réacteur, élément majeur garant de l'intégrité du réacteur.

Les différents types de réacteurs

Si le principe de fonctionnement est le même dans toutes les centrales, les réacteurs peuvent être différents en fonction du combustible utilisé, du modérateur ou du fluide caloporteur choisi.



Les différentes familles de réacteurs © CEA

Le réacteur à eau sous pression (REP) est le plus répandu dans le monde : 55% des réacteurs installés. En France, tous les réacteurs destinés à la production d'électricité sont des REP.




Schéma de principe d'un réacteur à eau sous pression © ASN

Le prochain réacteur EPR

L'EPR ou European Pressurized water Reactor est un concept de réacteur à eau sous pression de nouvelle génération. Contrairement aux REP actuels, l'EPR pourra fonctionner avec un combustible combinant du MOX et de l’uranium enrichi. Ce combustible MOX est issu du recyclage du combustible usé et contient du plutonium. Il est fabriqué dans l'usine Cogema à La Hague et assemblé dans l’usine Melox de Cogema à Marcoule.
Le combustible Mox est utilisé dans les centrales EDF depuis 1987 mais les réacteurs à eau pressurisée qui n'ont pas été initialement conçus pour le plutonium, ne peuvent accueillir que 30% d’assemblages Mox à côté de 70% d’assemblages traditionnels à l'uranium enrichi. L'EPR pourrait théoriquement en accueillir entre 50 et 100%.

Florence Roussel

Cas particulier du projet ITER Depuis une trentaine d’années, de nombreux laboratoires étudient la fusion de deux noyaux, un autre type de réaction nucléaire également libératrice d'énergie (réaction se produisant dans les étoiles). Cette réaction est difficile à réaliser car il faut rapprocher deux noyaux qui ont tendance naturellement à se repousser et ce phénomène ne peut avoir lieu que dans des conditions de température et de pression extrêmement élevées. Selon le CEA, pour arriver à la fusion thermonucléaire, il faut notamment atteindre des températures de l'ordre de 100 millions de degrés Celsius. Pour satisfaire à ces conditions et passer outre cette répulsion, il faut donc confiner les deux noyaux soit grâce à un champ magnétique, c'est l'option qui sera testée dans le cadre du laboratoire ITER en construction en France à Cadarache (13), soit grâce à des lasers comme au laboratoire américain ''National Ignition Facility'' (NIF) ou au Laser Mégajoule (LMJ), son équivalent français en cours de construction à Bordeaux (33). La finalité n'est pas simplement de fusionner les noyaux mais bien de générer 10 fois plus d'énergie que la quantité injectée pour provoquer la réaction.

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