Le nucléaire est basé sur un combustible bien précis : l’uranium, un atome que l’on trouve en majorité sous la forme d’uranium 238, mais il existe d’autres isotopes de l’uranium dont l’uranium 235.


C’est d’ailleurs uniquement cet isotope qui sert de moteur à la réaction en chaîne qui se déroule au sein d’une centrale nucléaire (nous développerons cela plus tard).


Becquerel avait découvert de nouveaux rayonnements (approfondi en partie II), Marie Curie affina son travail et en arriva à découvrir la radioactivité qu’elle qualifia d’émission de rayonnement similaire à ceux de l’uranium. Par la suite c'est le couple, Irène Joliot Curie (fille de Pierre et Marie Curie) et son mari Jean-Frédéric Joliot qui continuèrent les recherches ce qui leur permit, au bout de 40 ans, de découvrir la fission (et que celle-ci était contrôlable). Ceci fut une révolution surtout dans le domaine de l’électricité. La première centrale nucléaire fonctionnelle et exploitée fut celle de Chinon (en Indre et Loire), c’était en 1963 !


Le nucléaire connut une expansion folle, pour cause de la flambée du prix du pétrole, mais son image connut elle tout le contraire surtout avec le drame de Tchernobyl en 1986. Mais l’image que nous associons au nucléaire est-elle basée sur des sources valables ? En sachant que le nucléaire représente aujourd’hui 80% de l’électricité utilisée en France, on dénombre en effet une vingtaine de centrales nucléaires sur le territoire.


Carte de répartition des réacteurs nucléaires en France :


 

 

Pour produire de l’électricité on peut utiliser un combustible. Auparavant nous connaissions le charbon. Mais aujourd’hui le combustible utilisé dans les centrales nucléaires est l’uranium (235 précisément car c’est le seul isotope de l’uranium qui soit fissible). L’uranium, un combustible particulier car il ne brûle pas mais se casse (ce sont précisément les noyaux qui se casse) : c’est la fission.

 

 

A propos de l’uranium, il faut savoir qu’il est prélevé dans des mines (2 en France : Limoges et Montpellier) mais pour 1t de cailloux on obtient que 3 à 5kg d’uranium. De plus dans l’uranium récolté il y a seulement  0.71% de matière fissible il faut donc procéder à l’enrichissement en uranium 235 afin que ce dernier soit utilisé dans les centrales nucléaires, qui nécessitent 3 à 5% de matière fissile.

Or, il faut savoir que la quantité d’énergie produite par 1g d’uranium équivaut à celle produite par 2,5t de charbon.

Par la découverte d’Albert Einstein en 1905 la libération d’une telle quantité d’énergie pour si peu d’uranium se voit expliquée. La relation est connue de tous mais jusqu’à ce TPE je ne la comprenais pas, elle se voit expliquée ainsi :

E= mc²

-E en Joule (J)  

-m en kilogrammes (kg)
(m= masse avant réaction - masse après réaction) 

-c en mètres par secondes (m.s-1) vitesse de la lumière

 

Ce qui explique l’énergie considérable libérée par une réaction nucléaire, car même une masse minime est multipliée par la vitesse de la lumière au carré soit 300 000 km.s-1 !

Cette relation nous dit que tout corps possède une énergie qui est due à sa masse. D’après cette relation on peut dire que l’énergie peut être transformée en masse et inversement, la masse peut être transformée en énergie (c’est le cas des réactions nucléaires). Exemple avec un ressort : ce dernier quand on le comprime perd de la masse et emmagasine de l’énergie, en relâchant la pression exercé sur le ressort l’énergie est libérée et la masse augmente.

Remarque sur l’équivalence masse énergie d’Einstein : Si la particule est en mouvement par rapport au référentiel terrestre, alors son énergie totale E est la somme de son énergie de masse mc² et de son énergie cinétique Ec :

 

E= mc² + Ec

 

 

 

Schéma du fonctionnement d’une centrale nucléaire :

Ces informations sur le nucléaire étant précisées, on peut donc maintenant énoncer le mode de fonctionnement d’une centrale nucléaire sans incompréhension.

- Le cycle de production d’une centrale nucléaire est composé de trois étapes principales :

Il y a tout d’abord le circuit primaire :

C’est ici que se situe le combustible nécessaire à la réaction nucléaire, ce dernier est l’uranium 235 (noté 235U), préalablement enrichi en uranium 235, afin d’avoir 3à a 5% de matière fissible. Il est placé dans des pastilles d’uranium qui sont, elles dans des crayons (fig.1). Ces crayons sont assemblés pour former des éléments combustibles (4m de long, 650kg), eux même placés dans une cuve étanche (le réacteur) qui fait partit d’un circuit fermé, une fois la cuve fermée on remplit ce circuit d’eau. Celle-ci circule donc dans le circuit et passe dans le réacteur qui contient les crayons d’uranium, les pastilles ne sont pas en contact avec l’eau. Ici l’eau a donc deux rôles très importants :

Le premier étant de ralentir le déplacement des neutrons entre les crayons libérés suite à la fission afin que d’autres atomes d’uranium puissent les capter.

Son deuxième rôle est de transporter la chaleur produite par la fission, l’eau atteint une température de 320°C (mais attention ! à cette température l’eau ne se transforme pas en vapeur car elle est sous pression), après avoir atteint cette température l’eau continu de circuler dans le circuit jusqu’au générateur de vapeur où l’eau circule dans des tube en U qu’elle va réchauffer et ensuite elle repart vers le réacteur. Les tubes en U sont donc brûlants et ils vont réchauffer de l’eau, celle du circuit secondaire.

Au sein du réacteur se déroule donc la réaction nucléaire. L’uranium 235 contenu dans les assemblages combustibles est bombardé de neutrons ce qui entraîne sa fission, qui libère donc 2 ou 3 autres neutrons. Ces neutrons entraînent donc la fission d’autres atomes d’uranium 235, c’est la réaction en chaîne.

 

Fig1 : assemblage de crayons :

 

Puis, le circuit secondaire :

Ce circuit, contenant de l’eau là aussi mais non sous pression est en contact indirect avec le circuit primaire grâce au tube en U, de telle sorte que la chaleur est transmise mais pas la radioactivité. L’eau contenue dans ce circuit chauffe donc au point de se transformer en vapeur d’eau, celle-ci ainsi est ensuite envoyée dans d’énormes tuyaux (8000 t de vapeur par heure circule dans ces tuyaux). La vapeur d’eau arrive ensuite sous pression sur la turbine pour la faire tourner, et comme il reste de la vapeur après, on l’utilise pour faire tourner trois autres turbines qui elles-mêmes entraînent un alternateur et donc fabriquent de l’électricité (c’est un turbo alternateur). Un alternateur peut par exemple avoir une puissance de 1,3 milliard de Watts, de quoi alimenter 1.3 million fer à repasser de 2 000 watts chacun.

Afin que ce cycle de production d’énergie se maintienne, vous imaginez bien que la vapeur d’eau ne peut être libérée ainsi car la centrale manquerait trop vite d’eau pour alimenter sa production d’énergie.

On en arrive donc à parler du circuit tertiaire (ou de refroidissement) :

C’est ce troisième circuit qui sert à condenser la vapeur du circuit secondaire, on transforme donc la vapeur en eau pour qu’elle retourne au générateur de vapeur. Pour cela, on utilise le principe de l'alambic. Dans une centrale nucléaire, on puise de l’eau dans un fleuve ou une rivière, celle-ci va refroidir la vapeur puis est renvoyée avec quelques degrés supplémentaires dans le fleuve ou la rivière. Mais cette méthode pose un problème, car pour condenser des tonnes de vapeur il faut pomper beaucoup d’eau, donc quand le fleuve ou la rivière a un débit trop faible il faut faire autrement.

La 2ème méthode est utilisée dans beaucoup de centrales nucléaires. D’énorme tours ont étés construites, on les appelle des aéroréfrigérants (fig.2). Ce sont en fait d’énormes réfrigérateurs qui produisent un courant d’air pour refroidir l’eau du troisième circuit qui a été pompée » dans le fleuve et qui s’est réchauffée au contact du condenseur de vapeur, on peut donc utiliser cette eau en circuit fermé. Bien sur il y a de la perte par les panaches de fumée blanche qui s’échappent des tours, mais ce n’est que de la vapeur d’eau.

Fig2 : Aéroréfrigérant d’une centrale nucléaire

Mais toutes ces calories qui partent en vapeur sont parfois utilisées, par exemple certains maraîchers se sont installés à proximité des centrales et utilisent une partie de l’eau tiède du troisième circuit pour cultiver des légumes, et à Pierrelatte dans la vallée du Rhône il y a même un élevage de crocodiles.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nous avons donc vu qu’à la suite de la rotation d’une turbine sous l’action de la vapeur, un alternateur produit de l’énergie, cette dernière n’est pas stockée sur le site nucléaire mais directement envoyée aux particuliers part des lignes haute tension (fig.3)

 

Fig3: ligne haute tension

 

 

Pour finir il faut préciser qu’une centrale nucléaire ne fonctionne pas seule. Mais c’est seulement 8 à 10 personnes dont deux pilotes dans la salle de contrôle qui surveillent les problèmes qui peuvent survenir, à l’aide d’alarmes et de plusieurs écrans de contrôles. Mais l’essentiel de leur travail est de gérer la production d’électricité grâce à des barres neutrophages qui s’enfoncent plus ou moins dans le réacteur (entre les crayons de combustible), les neutrons sont donc capturés, ce qui ralentit la réaction nucléaire. En enfonçant les barres totalement on arrête la réaction en chaîne (en 2 secondes).

Quelques chiffres…

 

Une centrale nucléaire contient plus de 10 milles robinets, une centaine de pompes et des km de tuyaux. Une révision générale est faite tous les ans. Une centrale nucléaire est prévue en moyenne pour durer 30 ou 40 ans, après cela, il faudra tout démonter et attendre à nouveau 40 ans que le réacteur ne soit plus radioactif.