Dans notre monde moderne, l’énergie est indispensable au quotidien. Parmi les différentes sources d’énergie, la centrale nucléaire occupe une place importante dans plusieurs pays, dont la France. Mais comment fonctionne vraiment une centrale nucléaire ? Dans cet article, vous découvrirez les principes de base du fonctionnement d’une centrale nucléaire, ainsi que les différentes étapes de production d’électricité à partir de l’énergie nucléaire.
Principe général d’une centrale nucléaire
Le principe de base d’une centrale nucléaire repose sur la production d’énergie thermique à partir de la fission des noyaux d’atomes d’uranium. Cette énergie thermique est ensuite utilisée pour produire de l’électricité. Plusieurs types de réacteurs existent, mais nous allons nous intéresser ici au réacteur à eau pressurisée (REP), qui est le type de réacteur le plus couramment utilisé dans les centrales nucléaires françaises.
Fission nucléaire et libération de chaleur
La fission est un processus par lequel le noyau d’un atome se divise en deux ou plusieurs fragments, libérant ainsi une grande quantité d’énergie sous forme de chaleur. Dans le cas d’une centrale nucléaire, c’est l’uranium-235 qui subit la fission. Pour initier ce processus, un neutron doit percuter le noyau de l’atome d’uranium, entraînant sa scission et la libération de nouveaux neutrons. Ces derniers vont à leur tour provoquer la fission d’autres atomes d’uranium, créant ainsi une réaction en chaîne et libérant une immense quantité de chaleur.
Étapes du fonctionnement d’une centrale nucléaire
1. Production de la chaleur dans le réacteur
Dans un réacteur à eau pressurisée, le combustible nucléaire est disposé sous forme de crayons contenant des pastilles d’oxyde d’uranium. Ces crayons sont regroupés en assemblages et placés dans la cuve du réacteur. L’eau, sous forte pression, circule autour des crayons de combustible pour évacuer la chaleur produite par la fission. C’est donc cette eau qui va jouer un rôle essentiel dans le fonctionnement d’une centrale nucléaire : elle permet à la fois de ralentir les neutrons pour favoriser la fission et de transporter la chaleur vers les générateurs de vapeur.
2. Transport de la chaleur vers les générateurs de vapeur
L’eau chauffée par la fission nucléaire circule à travers des tuyaux et atteint les générateurs de vapeur. Dans ces échangeurs de chaleur, l’eau cède une partie de sa chaleur à l’eau contenue dans un circuit secondaire, qui est maintenue à une pression plus basse. Sous l’effet de la chaleur, l’eau du circuit secondaire se transforme en vapeur.
3. Utilisation de la vapeur pour produire de l’électricité
La vapeur produite dans les générateurs de vapeur est acheminée vers une turbine qui entraîne un alternateur, responsable de la production d’électricité. En effet, la vapeur fait tourner les pales de la turbine, qui sont reliées à un rotor situé à l’intérieur de l’alternateur. La rotation du rotor produit alors un champ magnétique variable qui induit un courant électrique dans les conducteurs présents dans la partie fixe de l’alternateur, appelée stator. Ce courant électrique est ensuite injecté dans le réseau de distribution électrique.
4. Condensation de la vapeur et retour de l’eau au générateur de vapeur
Pour optimiser l’efficacité du processus, la vapeur ayant servi à faire tourner la turbine est refroidie et retransformée en eau dans le condenseur. L’eau ainsi récupérée est renvoyée vers les générateurs de vapeur pour être à nouveau chauffée par l’eau provenant du réacteur, bouclant ainsi le circuit secondaire.
- Production de la chaleur dans le réacteur
- Transport de la chaleur vers les générateurs de vapeur
- Utilisation de la vapeur pour produire de l’électricité
- Condensation de la vapeur et retour de l’eau au générateur de vapeur
Les dispositifs de sûreté et de contrôle
Une centrale nucléaire comporte plusieurs dispositifs destinés à assurer la sûreté de son fonctionnement et à prévenir les accidents. Parmi ces dispositifs, on peut citer :
Le contrôle de la réaction en chaîne
Afin de maîtriser la réaction en chaîne et d’éviter qu’elle ne devienne incontrôlable, des barres de contrôle composées de matériaux absorbant les neutrons sont disposées dans le réacteur. Elles peuvent être insérées ou retirées pour ajuster la puissance du réacteur et ainsi maintenir la réaction en chaîne à un niveau stable.
Le confinement des substances radioactives
Pour protéger l’environnement et les personnes travaillant sur le site, les substances radioactives produites lors du fonctionnement d’une centrale nucléaire sont confinées à l’intérieur de différentes barrières. La première barrière est constituée par les gaines entourant les crayons de combustible. La cuve du réacteur, en acier épais, constitue une deuxième barrière, tandis que l’enceinte de confinement en béton armé forme une troisième protection contre les fuites radioactives.
Les systèmes de refroidissement d’urgence
Pour garantir la sûreté du réacteur, des systèmes de refroidissement d’urgence sont mis en place. Ils permettent de continuer à refroidir le cœur du réacteur en cas de défaillance du système de refroidissement principal. Ces dispositifs sont conçus pour fonctionner même en cas de perte totale d’alimentation électrique externe, grâce à l’utilisation de sources d’énergie autonomes, telles que des générateurs diesel.
En somme, le fonctionnement d’une centrale nucléaire repose sur la libération de chaleur par la fission de l’uranium, qui est ensuite utilisée pour produire de l’électricité. Les différents éléments d’une centrale, tels que le réacteur, les générateurs de vapeur et la turbine, sont interconnectés pour former un système complexe et performant, encadré par de nombreux dispositifs de sûreté et de contrôle.
