Fonctionnement d'une centrale REP

 

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 fonctionnement est représenté sur le schéma ci-dessous :

 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 :

 

L’énergie, liberée dans le réacteur sous forme de chaleur, doit être récupérée pour ensuite subir des transformations. Cette récupération s’effectue généralement en deux étapes : le circuit primaire et le circuit secondaire. Il existe également le circuit de refroidissement.

Le réacteur est la partie la plus important de la centrale, c’est ici que ce produit la réaction de fission et un important dégagement d’énergie sous forme de chaleur et de rayonnement. <-

Fonctionnement du réacteur :

Un réacteur nucléaire se caractérise par les éléments techniques qui rendent possible et exploitable la réaction en chaîne, mais également par la nature du mélange des noyaux du combustible utilisé.

Les réactions de fission qui se produisent dans l’assemblage du combustible se font au sein du réacteur. Les neutrons rapides émis lors de fission du noyau de l’uranium 235 doivent être assez ralentis pour être utilisables dans une nouvelle réaction. Mais ce ralentissement ne peut être effectué dans le combustible. C’est pour cela que l’on utilise dans les réacteurs un ralentisseur de neutrons, ou modérateur. Celui-ci (eau ordinaire, eau lourde, eau légère, graphite) est une substance dans lequel est placé le combustible et dont les molécules contiennent au moins un noyau léger permettant une diffusion efficace.

Mais un bon ralentisseur de neutrons ne garantit pas une activité stable. En effet dans le réacteur nucléaire, le neutron peut avoir différents types de collisions :

1. Les collisions capturantes qui sont de trois sortes :

2. Les collisions non capturantes – Les neutrons subissent des chocs avec des noyaux du modérateur et son déviées dans une direction autre que celle du centre de réacteur. Ils subissent alors souvent une capture par les noyaux des éléments qui constitue l’enveloppe du réacteur (la cuve du réacteur en acier ou l’enceinte de confinement en béton).

C’est donc une tâche très difficile à équilibrer la balance entre les absorptions qui détruisent un neutron et celles qui participent à la fission, pour que parmi 2,5 neutrons qui sont produits en moyenne, un seul soit utilisé pour déclencher une fission nouvelle. C’est donc le rôle du modérateur, bien que la composition du combustible et sa concentration en noyaux fissiles y participent aussi. Pour les surgénérateurs (type Superphénix), le combustible plus concentré comble l’absence du modérateur.

Pour quantifier la possibilité de réactions en chaîne, on utilise le facteur k, qui indique de combien de fois le nombre de neutron augmente à chaque fission. Si k est inférieur, supérieur ou égal à 1, les conditions sont alors respectivement sous critique, sur critique ou critique. La condition de criticité (k=1) correspond à un fonctionnement normal du réacteur d'une centrale nucléaire.

Ainsi, il faut contrôler en permanence la réactivité du réacteur : c'est le nombre supérieur à 1 de neutrons utilisables pour la fission qui apparaissent après chacune d'entre elle. La montée en puissance correspondante n'est heureusement pas instantanée et l'augmentation de température associée est un frein à la réaction en chaîne. C'est donc une autorégulation qui s'effectue au centre du réacteur. Mais elle doit tout de même être complétée par des barres de commandes. Leur fonctionnement est simple : elles s'intercalent entre les crayons de combustibles, tubes de zirconium de 4 m de long environ fermés hermétiquement à chaque extrémité et contenant le combustible, afin d'absorber les neutrons. Ces barres de commandes permettent l'équilibre d'un neutron réutilisable pour un neutron consommé tout en faisant varier le nombre de noyau agissant dans la réaction. Elles régulent donc la puissance du réacteur. De plus, elles sont complétées par des barres de compensation et de sûreté que l'on peut remarquer tout au long de la réaction de fission.

Afin qu'un régime stable soit maintenu et que l'on dispose d'un rendement optimal, la chaleur dégagée lors de la réaction en chaîne doit être soigneusement extraite du centre du réacteur. Le fluide caloporteur (eau ordinaire, eau lourde, dioxyde de carbone, sodium liquide) joue ce rôle. Il permet en même temps un refroidissement du coeur du réacteur.

Dans un réacteur en marche, beaucoup de neutrons peuvent être absorbés par des noyaux fertiles, les noyaux fissibles formés participent alors à la réaction en chaîne. Petit à petit le combustible est utilisé. Ainsi la participation de ces noyaux aux réactions augmente afin d'atteindre une valeur maximale jusqu'à l'épuisement du combustible.

Pour certains combustibles, comme pour l'oxyde d'uranium enrichi, le réacteur consomme plus de noyaux fissibles qu'il n'en crée alors que pour d'autres combustibles, comme pour le mélange de plutonium 239 et d'uranium 238, la quantité de noyau fissible créée est supérieur à celle de noyaux consommés.

Ces deux modes de fonctionnement nécessitent, l'un et l'autre, le remplacement du combustible usé lorsque celui-ci devient moins performant après avoir été contaminé par les produits de fission. Ce sont ces mêmes produits de fission qui, très radioactifs, imposent une protection du réacteur très importante.

Dans le cas d'un réacteur à eau pressurisée (REP), chaque assemblage de combustible reste trois ou quatre ans dans le réacteur et un renouvellement se fait chaque année pour un tiers ou un quart du réacteur. Les éléments combustibles usagés qui sont très radioactifs, sont dans un premier temps déposés en piscine pendant un an sur le site même de la centrale pour diminuer leur radioactivité. Ils sont ensuite transportés vers une usine de retraitement lorsque celui-ci est envisagé. <-

Circuit primaire : 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. Le contact avec le réacteur peut rendre cette eau radioactive, elle ne peut donc pas être tout de suite rejetée dans la nature. <-

Circuit secondaire : produire de 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 tertiaure : 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. <-

 

 

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