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Centrale nucléaire

Introduction

Centrale nucléaire de Golfech (Tarn-et-Garonne)

Une centrale nucléaire est un site industriel qui utilise la fission de noyaux atomiques pour produire de la chaleur, dont une partie est transformée en électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique...) (entre 30 % et 40 % en fonction de la différence de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie...) entre la source froide et chaude). C'est la principale mise en œuvre de l'énergie nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) dans le domaine civil.

Une centrale nucléaire (Une centrale nucléaire est un site industriel qui utilise la fission de noyaux atomiques pour produire de la chaleur, dont une partie est...) est constituée d'un ou plusieurs réacteurs nucléaires dont la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) électrique varie de quelques mégawatts à plus de 1 500 mégawatts pour le réacteur (Un réacteur peut désigner :) soviétique de grande puissance RBMK. Selon les promoteurs du futur réacteur européen EPR, il devrait atteindre une puissance record de 1 600 mégawatts.

En 2009, 439 réacteurs fonctionnent dans 31 pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas gallo-romaine. Comme la civitas qui...) différents dans le monde (Le mot monde peut désigner :), dont 58 réacteurs en France, soit un total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des dettes". En physique le total...) de 370 gigawatts produisant environ 14 % de l'électricité mondiale (voir la liste des réacteurs nucléaires). La catastrophe de Tchernobyl (La catastrophe de Tchernobyl est un accident nucléaire qui s'est produit le 26 avril 1986 dans la centrale nucléaire Lénine en Ukraine. Cet accident a conduit à la fusion du cœur d'un réacteur, au...) a conduit à plusieurs moratoires ; la baisse des prix du pétrole (Le pétrole est une roche liquide carbonée, ou huile minérale. L'exploitation de cette énergie fossile est l’un des piliers de l’économie industrielle...) durant les années 1990 a renforcé cette tendance, conduisant à construire moins de nouveaux réacteurs dans le monde. Parallèlement, les centrales vieillissent : en 2006, la majorité des réacteurs avaient de 15 à 36 ans, sept ayant de 37 à 40 ans. Toutefois, à partir du milieu de la décennie (Une décennie est égale à dix ans. Le terme dérive des mots latins de decem « dix » et annus « année.) 2000, la remontée des prix des énergies, tirées par les hydrocarbures, a induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou...) un mouvement de balancier inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est...), conduisant à de nouvelles constructions de réacteurs : par exemple, la Finlande entreprend de se doter d’un réacteur pressurisé européen (Le réacteur pressurisé européen (EPR, de l'anglais European Pressurized Reactor, rebaptisé aussi US-EPR pour Evolutionnary Power Reactor aux États-Unis) est un réacteur...) (EPR) à Olkiluoto en 2003, la construction d’un EPR à Flamanville (France) est décidée en 2005.

Histoire

Dès 1951, la première centrale nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) entre en service aux États-Unis. Le 27 juin 1954, une centrale nucléaire civile est connectée au réseau électrique (Un réseau électrique est un ensemble d'infrastructures permettant d'acheminer l'énergie électrique des centres de production vers les consommateurs d'électricité.) à Obninsk en Union soviétique, avec une puissance de production d'électricité de cinq mégawatts. Les centrales nucléaires suivantes furent celles de Marcoule (Créé en 1956, le site nucléaire de Marcoule s'étend sur les communes de Chusclan et Codolet, proches de Bagnols-sur-Cèze, dans le Gard. Ce site industriel, situé en bordure du Rhône entre Valence (110 km en amont) et Avignon (30...) en Provence le 7 janvier 1956, de Sellafield (Le site de Sellafield est le principal complexe de la filière électronucléaire britannique. Initialement nommé Windscale, il a été rebaptisé Sellafield à la suite d'un grave accident dans...) au Royaume-Uni, connectée au réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit...) en 1956, et le réacteur nucléaire (Un réacteur nucléaire est un dispositif dans lequel une réaction en chaîne est initiée, modérée et contrôlée par l'humain — ou par la nature, comme dans le seul cas connu du Réacteur...) de Shippingport aux États-Unis, connecté en 1957. Cette même année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.), les travaux de construction du premier réacteur à usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) civil en France (EDF1) démarrèrent à la centrale nucléaire de Chinon.

La puissance nucléaire mondiale a augmenté rapidement, s'élevant de plus de 1 gigawatt (GW) en 1960 jusqu'à 100 GW à la fin des années 1970, et 300 GW à la fin des années 1980. Depuis, la capacité mondiale a augmenté beaucoup plus lentement, atteignant 366 GW en 2005, en raison du programme nucléaire chinois. Entre 1970 et 1990 étaient construits plus de 5 GW par an (avec un pic de 33 GW en 1984). Plus des deux tiers des centrales nucléaires commandées après janvier 1970 ont été annulées.

Les coûts économiques croissants, dus aux durées de construction de plus en plus longues, et le faible coût des combustibles fossiles, ont rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie) d'une scène créée dans un logiciel de modélisation 3D comportant à la fois des objets et des sources de...) le nucléaire moins compétitif dans les années 1980 et 1990. Par ailleurs, dans certains pays, l'opinion publique, inquiète des risques d'accidents nucléaires et du problème des déchets radioactifs, a conduit à renoncer à l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) nucléaire.

Fonctionnement technique

Réacteur à eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) bouillante :
  1. barre d'arrêt d'urgence
  2. barre de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.)
  3. assemblage combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction chimique générant de la chaleur :...)
  4. protection biologique
  5. sortie de vapeur ()
  6. entrée de l'eau
  7. protection thermique (La protection thermique, dans le domaine de l'astronautique, est l'ensemble des dispositifs utilisés pour éviter qu'un corps soit soumis à des variations excessives de températures. La protection thermique peut être...)

Dans une tranche nucléaire, le réacteur nucléaire est en amont d'une installation thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de...) qui produit de la vapeur transformée en énergie mécanique (L'énergie mécanique est une quantité utilisée en mécanique classique pour désigner l'énergie d'un système emmagasinée sous forme d'énergie cinétique et d'énergie potentielle mécanique. C'est...) au moyen d'une turbine (Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air, gaz de combustion), dont le couple est transmis au moyen d'un arbre.) à vapeur ; l'alternateur utilise ensuite cette énergie mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...),...) pour produire de l'électricité.

La différence essentielle entre une centrale nucléaire et une centrale thermique (Une centrale thermique est une centrale électrique qui produit de l'électricité à partir d'une source de chaleur. Cette source peut...) classique est matérialisée par le remplacement d'un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout »,...) de chaudières consommant des combustibles fossiles par des réacteurs nucléaires.

Pour récupérer de l'énergie mécanique à partir de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !), il est nécessaire de disposer d'un circuit thermodynamique : une source chaude (Une source chaude est une source dont l'eau sort du sol à une température élevée, chauffée par un processus géothermique. Il y a des sources chaudes tout autour...), une circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) et une source froide. Dans une centrale nucléaire, ce circuit est forcé (car utilisation de pompes). Pour simplifier :

  • pour un réacteur de type REP (Réacteur à eau pressurisée), la source chaude est fournie par l'eau du circuit primaire, à la température moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble...) de 306 °C (286 °C en entrée et 323 °C en sortie de réacteur, cette dernière variant selon la puissance de la tranche) ;
  • la source froide du circuit de refroidissement peut être fournie par pompage (Le pompage est un phénomène aérodynamique qui intervient dans un compresseur. Il s'agit d'une instabilité aérodynamique qui donne...) d'eau de mer (L'eau de mer est l'eau salée des mers et des océans de la Terre.) ou de fleuve (En hydrographie francophone, un fleuve est un cours d'eau qui se jette dans la mer ou dans l'océan – ou, exceptionnellement, dans un désert,...) (le système est parfois complété d'une tour aéroréfrigérante).

Ainsi, une tranche nucléaire de type REP comporte trois circuits d'eau importants indépendants, détaillés ci-après.

Circuit primaire fermé

Le circuit primaire se situe dans une enceinte de confinement. Il est constitué d'un réacteur intégrant des grappes de contrôle et le combustible, et, suivant le type de tranche, de 3 ou 4 générateurs de vapeur (GV) associés respectivement à une pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) primaire centrifuge (une par GV ; masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la...) de 90 t environ), un pressuriseur (comprenant des gaines chauffantes) assurant le maintien de la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) du circuit à 155 bar. Il véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un point à un autre.), en circuit fermé, de l'eau liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) sous pression qui extrait les calories du combustible pour les transporter aux générateurs de vapeur (rôle de fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu compressibles. Dans certaines conditions...) caloporteur). L'eau du circuit primaire a aussi comme utilité la modération des neutrons (rôle de modérateur) issus de la fission nucléaire (La fission nucléaire est le phénomène par lequel le noyau d'un atome lourd (noyau qui contient beaucoup de nucléons, tels les noyaux d'uranium et de plutonium) est divisé en plusieurs nucléides plus légers. Cette...). La thermalisation des neutrons les ralentit pour leur permettre d'interagir avec les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement...) d'uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un élément naturel assez fréquent : plus abondant que l'argent, autant que le molybdène ou...) 235 et déclencher la fission de leur noyau. Par ailleurs, l'eau procure un effet stabilisateur au réacteur : si la réaction s'emballait, la température du combustible et de l'eau augmenteraient. Cela provoquerait d'une part, une absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux...) des neutrons par le combustible (effet combustible) et d'autre part une modération moindre de l'eau (effet modérateur). Le cumul de ces deux effets est dit « effet puissance » : l'augmentation de ce terme provoquerait l'étouffement de la réaction d'elle-même, c'est un effet auto-stabilisant.

Circuit secondaire fermé

Le circuit d'eau secondaire se décompose en deux parties :

  • entre le condenseur et les générateurs de vapeur, l'eau reste sous forme liquide : c'est l'alimentation des générateurs de vapeur ; des turbopompes alimentaires permettent d'élever la pression de cette eau, et des échangeurs de chaleur en élèvent la température (60 bar et 220 °C) ;
  • cette eau se vaporise dans 3 ou 4 générateurs de vapeur (suivant le type de tranche, 900 ou 1 300 / 1 450 MW) et les tuyauteries de vapeur alimentent successivement les étages de la turbine disposés sur une même ligne d'arbre (Un arbre est une plante terrestre capable de se développer par elle-même en hauteur, en général au delà de sept mètres. Les arbres acquièrent une structure...). La vapeur acquiert une grande vitesse (On distingue :) lors de sa détente permettant ainsi d'entraîner les roues (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par son centre.) à aubages de la turbine.

Celle-ci est composée de plusieurs étages séparés et comportant chacun de nombreuses roues de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce...) différent. Dans un premier temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), la vapeur subit une première détente dans un corps haute pression (HP, de 55 à 11 bar), puis elle est récupérée, séchée et surchauffée pour subir une seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est...) détente dans les trois corps basse pression (BP, de 11 à 0,05 bar). On utilise les corps BP dans le but d'augmenter le rendement du cycle thermohydraulique.
La sortie du dernier étage de la turbine donne directement sur le condenseur, un échangeur de chaleur dont la pression est maintenue à environ 50 mbar absolu (vide) par la température de l'eau du circuit de refroidissement (selon la courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes...) de saturation eau/vapeur). Des pompes à vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) extraient les gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de...) incondensables en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) gaz du mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi appelée mélange....) (principalement l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) moléculaire et le diazote). L'eau condensée dans cet appareil est réutilisée pour réalimenter les générateurs de vapeur.

Circuit de refroidissement semi-ouvert

Ce circuit assure le refroidissement du condenseur. L'eau de refroidissement est échangée directement avec la mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.), un fleuve ou une rivière (En hydrographie, une rivière est un cours d'eau qui s'écoule sous l'effet de la gravité et qui se jette dans une autre rivière ou dans...), par l'intermédiaire de pompes de circulation. Pour ces deux derniers cas, l'eau peut être refroidie par un courant d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les...) dans une tour aéroréfrigérante d'où une petite partie (1,5 %, soit 0,5 m³/s pour une tranche de 900 MW) de l'eau s'échappe en vapeur sous forme de panache blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un...).

L'énergie mécanique produite par la turbine sert à entraîner l'alternateur (rotor d'une masse d'environ 150 t) qui la convertit en énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il effectue un travail : déplacer une charge, fournir de la lumière, calculer. Ce travail est proportionnel à la quantité d'électricité.), celle-ci étant véhiculée par le réseau électrique.

Lorsque la tranche nucléaire débite de la puissance électrique sur le réseau, on dit qu'elle est « couplée » au réseau.
La déconnexion intempestive de l'alternateur au réseau (appelée un « déclenchement ») nécessite une réduction immédiate de l'alimentation en vapeur de la turbine par des vannes de réglage disposées sur les tuyauteries de vapeur, faute de quoi sa vitesse de rotation augmenterait jusqu'à sa destruction en raison du couple générateur excessif s'exerçant alors sur les aubages. Néanmoins, dans ce cas-ci, la tranche reste en service à faible puissance : la turbine est en rotation et reste prête au recouplage immédiat sur le réseau (la tranche est alors « ilotée » : elle alimente elle-même ses auxiliaires).

Le fonctionnement normal d'une centrale nucléaire est qualifié de critique (par opposition à sous-critique et sur-critique).

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0. Vous pouvez soumettre une modification à cette définition sur cette page.

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