Différentes familles de réacteurs

Une centrale nucléaire est destinée à produire de l’électricité à partir d’un combustible nucléaire. Cependant, même si le principe de fonctionnement est identique dans toutes les centrales nucléaires, il existe plusieurs familles de réacteurs, que l’on appelle filières (voir tableau).

Fonctionnement d’une centrale nucléaire

Un réacteur nucléaire comprend toujours au moins un cœur où se déroule la réaction de fission nucléaire, des réflecteurs et des moyens de contrôle de la réaction, une cuve métallique, et enfin une enceinte de confinement.

Les noyaux atomiques très lourds tels que l'uranium ou le plutonium contiennent énormément de protons, et sont instables. Si l'un de ces atomes très lourd (par exemple l'uranium 235 ou le plutonium 239) capture un neutron, il se transforme en un noyau encore plus instable (²³⁶U ou ²⁴⁰Pu), et récupère par la même occasion de l'énergie.

Le noyau résultant se divise très rapidement: il fissionne, en se divisant en deux noyaux principaux, et en libérant deux ou trois neutrons supplémentaires, libres. Ces neutrons supplémentaires sont disponibles pour d'autres fissions de noyau : c'est le principe de la réaction en chaîne.

Les neutrons libérés dans la fission sont de deux catégories:

• Les neutrons Prompt (plus de 99% de tous les neutrons sont prompts)  libérés dans un délai de 10^{- 14}s.    
•  Les neutrons retardés sont émis un certain temps après la fission (du milliseconde  jusqu'au minute).

Le nombre moyen de neutrons libérés dans la fission est conçu comme u.

Les neutrons retardés n'ont pas les mêmes propriétés que les neutrons  rapides libérés directement de la fission.

L'énergie moyenne des neutrons prompts est d'environ 2 MeV. Celle ci est beaucoup plus grande que l'énergie moyenne des neutrons retardés (environ  0,5 MeV).

Le fait que les neutrons retardés sont nés à basses énergies (en comparaison avec les prompts) a deux conséquences importantes:

         1.    Les neutrons retardés ont une moins de probabilité pour provoquer des fissions rapides parce que leur énergie moyenne est inférieure au minimum requis pour produire une fission rapide.

        2.    Les neutrons retardés ont mois de probabilité de fuite puisqu’ils parce qu'ils sont nés à des énergies plus basses, puis parcourent une courte distance à l’état rapide.

Le circuit primaire

Dans le réacteur, la fission des atomes d'uranium produit une grande quantité de chaleur.
Cette chaleur fait augmenter la température de l'eau qui circule autour du réacteur, à 320 °C. L'eau est maintenue sous pression pour l'empêcher de bouillir. Ce circuit fermé est appelé circuit primaire.

Le circuit secondaire

Le circuit primaire communique avec un deuxième circuit fermé, appelé circuit secondaire par l'intermédiaire d'un générateur de vapeur. Dans ce générateur de vapeur, l'eau chaude du circuit primaire chauffe l'eau du circuit secondaire qui se transforme en vapeur. La pression de cette vapeur fait tourner une turbine qui entraîne à son tour un alternateur. Grâce à l'énergie fournie par la turbine, l'alternateur produit un courant électrique alternatif.

Un transformateur élève la tension du courant électrique produit par l'alternateur pour qu'il puisse être plus facilement transporté dans les lignes très haute tension.

Le circuit de refroidissement

À la sortie de la turbine, la vapeur du circuit secondaire est à nouveau transformée en eau grâce à un condenseur dans lequel circule de l'eau froide en provenance de la mer ou d'un fleuve. Ce troisième circuit est appelé circuit de refroidissement.
En bord de rivière, l'eau de ce 3e circuit peut alors être refroidie au contact de l'air circulant dans de grandes tours, appelées aéroréfrigérants.Les 3 circuits d'eau sont étanches les uns par rapport aux autres.

Salle de commande

La marche d'un réacteur nucléaire peut être contrôlée avec précision. Pour le faire démarrer, l'arrêter, le faire fonctionner à différents niveaux de puissance, on agit sur l'intensité de la réaction en chaîne au moyen de barres de contrôle constituées de matériaux qui ont la faculté d'absorber les neutrons. La descente de ces barres dans le cœur du réacteur provoque l'absorption des neutrons et donc le ralentissement de la réaction en chaîne .En cas de situations anormales, des barres de sécurité chute automatiquement dans le cœur et stop instantanément le réacteur.

Maintenance

Une centrale nucléaire rassemble et relie entre eux, selon une organisation complexe, des milliers de composants : réservoirs, tuyauteries, vannes, pompes, filtres, câbles électriques, instruments de mesure, circuits informatiques, etc. Cet ensemble doit impérativement être maintenu en état de bon fonctionnement. C’est la condition pour garantir la sécurité du personnel, la sûreté et la performance de l’installation. Dans les centrales françaises, cette maintenance est organisée à trois niveaux complémentaires :

Ø   Maintenance quotidienne 

Ø   Maintenance annuelle programmée

Ø   Visite décennale

Maintenance quotidienne : les agents de maintenance surveillent de façon continue l’état des équipements et effectuent les ajustements ou réparations nécessaires.

Maintenance annuelle programmée : tous les ans, chacune des tranches de la centrale est arrêtée durant 5 à 6 semaines pour un rechargement en combustible et pour des opérations d’entretien de grande ampleur. A cette occasion, des techniciens et ouvriers venus d’entreprises extérieures apportent leur soutient et leurs expertise pour ce travail de révision.

Visite décennale : tous les dix ans, une inspection complète et détaillée de la tranche est effectuée. Les principaux composants : cuve, circuit primaire, générateurs de vapeur, pressuriseurs, enceinte de confinement… font l’objet d’examens et tests approfondis. 

Inspection par robot MIS de la cuve du réacteur de la tranche 1 de la centrale de Nogent sur Seine

L’extraction de l’uranium 

L’uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C’est un élément  radioactif de période très longue (~ 4.4668 milliard d'années pour l'uranium 238 et ~ 703.8 million pour l'uranium 235).Il dégage beaucoup d’énergie c’est pour ça l'uranium est devenu la principale matière première utilisée par l'industrie nucléaire.

L’uranium est un métal relativement répandu dans l’écorce terrestre. Sous forme solide. L’extraction s’effectue dans des galeries souterraines. Comme la plus part des minerais, l’uranium n’est pas extrait sous sa forme pure mais a l’état de roches,  combinés à d’autres éléments chimiques. 

Traitement de l’uranium 

Les roches sont d’abord concassées et finement broyées, puis l’uranium est extrait par diverses opérations chimiques. Le concentré fabriqué a l’aspect d’une pâte jaune appelée “yellow  cake".

L’uranium est un métal qui s’oxyde très rapidement au contact de l’oxygène de l’air, se transformant en oxyde d’uranium.

Le concentré d’uranium ne peut pas être utilisé tel quel dans les réacteurs nucléaires.

L’oxyde d’uranium doit d’abord être débarrassé des impuretés par différentes étapes de purification pour les raisons suivantes :

ü  certaines sont des absorbants neutroniques et mettent donc en cause le fonctionnement des réacteurs (bore et cadmium, par exemple).

ü  certaines entraînent des risques de corrosion (fluorures, chlorures).

ü  certaines rendent le raffinage et la conversion onéreux.

Après plusieurs transformations chimiques  et un raffinage on obtient enfin un uranium complètement pur. Très pur, il est ensuite converti en tétrafluorure d’uranium (UF4) constitué de quatre atomes de fluor et d’un atome d’uranium.

L'enrichissement, augmenter la proportion d'U-235

Le minerai d’uranium ne constitue pas directement le combustible nucléaire nécessaire à la production d’électricité. La plupart des réacteurs utilisent comme combustible un uranium contenant entre 3 et 5 % d'uranium 235. L'uranium naturel n'en contient que 0,7 %. Il convient donc d'augmenter la concentration en uranium 235 pour obtenir une matière utilisable dans les réacteurs nucléaires : c'est l'enrichissement. 

Deux procédés industriels d’enrichissement de l'uranium sont exploités au niveau mondial : la diffusion gazeuse et la centrifugation.

Diffusion gazeuse

Avant son enrichissement par ce procédé,le tétrafluorure d’uranium, obtenu après extraction du minerai et raffinage, sera transformé en hexafluorure d’uranium (UF6) qui a la propriété d’être gazeux à partir de 56 °C.

Le procédé par diffusion gazeuse consiste à faire passer l’UF6 à l’état gazeux à travers une multitude de “barrières” qui sont des membranes percées de trous minuscules. Les molécules d’hexafluorure d’uranium 235, plus légères que celles d’hexafluorure d’uranium 238, traversent un peu plus rapidement chaque barrière, ce qui permet d’enrichir peu à peu l’uranium.

L’opération doit être répétée 1400 fois pour produire un uranium assez enrichi en uranium 235, alors utilisable dans des centrales nucléaires classiques.

 la centrifugation

Ce principe de séparation utilise une centrifugeuse qui, telle une essoreuse à salade tournant à grande vitesse, projette plus vite à sa périphérie l’hexafluorure d’uranium 238 que l’hexafluorure d’uranium 235 qu’elle contient.
La très légère différence de masse entre les deux molécules permet ainsi d’augmenter petit à petit la concentration en uranium 235.

Là encore, de nombreuse étapes successives sont nécessaire pour obtenir un enrichissement suffisant.

Fabrication du combustible

Après enrichissement, l’hexafluorure d’uranium est converti en oxyde d’uranium sous la forme d’une poudre noire.
L’uranium sera compressé en pastille de 7g, cuite à très haute température. Les pastilles sont enfilées dans des tubes en métal de 4 m de long dont les extrémités sont bouchées, pour constituer ce que l'on appelle des crayons.

Les crayons sont ensuite assemblés en réseaux verticaux (selon le type de réacteur) crayons parallèles.Des grilles horizontales assurent le maintien en faisceaux.

Chaque crayon sera ensuite assemblé avec plusieurs autres en fagots afin de former l’assemblage de combustible.

Ces "assemblages" sont introduits dans le cœur du réacteur pour alimenter  la réaction en chaîne pendant 2 à 3 ans.