Centrale nucléaire - Définition et Explications

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...) (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...) 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...) 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...) 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...) 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...) a conduit à plusieurs moratoires ; la baisse des prix du pétrole (Le pétrole est une roche liquide carbonée, ou huile minérale. L'exploitation de...) 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 »...) 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...) un mouvement de balancier inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de...), conduisant à de nouvelles constructions de réacteurs : par exemple, la Finlande entreprend de se doter d’un réacteur pressurisé européen (Le réacteur EPR™ (rebaptisé aussi US-EPR aux États-Unis) est un projet de...) (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...) 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,...) en Provence le 7 janvier 1956, de Sellafield (Le site de Sellafield est le principal complexe de la filière électronucléaire...) au Royaume-Uni, connectée au réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) en 1956, et le réacteur nucléaire (Un réacteur nucléaire est un dispositif dans lequel une réaction en chaîne est...) 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...), 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 centrale nucléaire de Chinon est située près de Chinon sur le territoire de la...).

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)...) 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...) nucléaire.

Fonctionnement technique

Réacteur à eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) 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...)
  3. assemblage combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se...)
  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...)

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...) qui produit de la vapeur transformée en énergie mécanique (L'énergie mécanique est une quantité utilisée en mécanique classique pour désigner l'énergie...) au moyen d'une turbine (Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air,...) à vapeur ; l'alternateur utilise ensuite cette énergie mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) 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...) classique est matérialisée par le remplacement d'un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) 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 :...), 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...), une circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles...) 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...) 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...) 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...) (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...) 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...) du circuit à 155 bar. Il véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un...), en circuit fermé, de l'eau liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) 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...) 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...). 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...) d'uranium 235 (L'uranium 235, noté 235U, est l'isotope de l'uranium dont le nombre de masse est égal...) 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...) 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...). 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...) 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...) différent. Dans un premier temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...), 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...) 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...) 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...) incondensables en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) gaz du mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...) (principalement l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...) 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...), 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...) 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'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...), 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).

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