Nucléaire

Quelques éclaircissements sur le nucléaire…

Le Monde et Nous, publié le 01 avril 2011

Au lendemain de ce terrible accident nucléaire au Japon, voire catastrophe, l’issue n’étant toujours pas au rendez-vous, il m’a semblé important de publier un post, très vulgarisateur sur le nucléaire. Le but : rendre compréhensible le vocabulaire souvent entendu ces jours-ci avec des mots comme fission, REP, REB, EPR, MOX, radioactif,  mettre un peu de lumière sur ce dossier, on ne peut plus « chaud », pour que tout à chacun puisse aborder et trier les différentes informations qui nous parviennent (via communiqués de  journalistes ou des sites de vrais experts français tels que les instances gouvernementales comme l’ASN ou l’IRSN).

Pour commencer très simplement et par le début, comment fait-on de l’électricité ?
Pour produire de l’électricité, il faut partir d’une génératrice c’est-dire d’un appareil qui transforme de l’énergie mécanique (de l’énergie contenue dans un mouvement) en énergie électrique. C’est le rôle de l’alternateur qui est constitué d’un rotor et d’un stator. Le rotor, une partie tournante (car associé au mouvement) est un aimant ou un électro-aimant. Le stator, lui est constitué d’un enroulement c’est-à-dire d’un circuit dans lequel va apparaître le courant électrique. Ce phénomène se produit selon le principe de Faraday : lorsqu’un aimant se déplace près d’un circuit électrique, apparait dans ce dernier un courant. Rappelons-nous la dynamo du vélo, le courant est généré par la roue qui tourne.

Principe des centrales électriques.

Bref, pour produire de l’électricité à grande échelle, il nous faut créer le mouvement de rotation, comme pour la dynamo de votre vélo et ce, de façon continue. Dans bon nombre de machines productrices de courant, ce mouvement est créé par une turbine, un élément qui ressemble à une roue de moulin avec des aubes (de profil bien étudié pour minimiser les pertes) et dont la rotation est générée par un fluide qui possède suffisamment d’énergie pour « pousser » les aubes.

Le fluide en question, dans des centrales thermiques ou nucléaires, c’est en majeure partie de la vapeur d’eau à haute pression, haute température, donc à forte énergie (on parle d’enthalpie de la vapeur).

Cette vapeur à forte enthalpie, il faut la produire, et c’est bien là le cœur du procédé. On part donc d’eau liquide (ultra pure pour éviter des contraintes de dépôt dans la chaudière), qui va être pompée puis chauffée en différentes étapes, pour atteindre les bons paramètres de pression et température à l’entrée de la turbine.

Pour cela, il n’y a pas 36 solutions : il faut la mettre en contact avec une source de chaleur et en utilisant des échangeurs de chaleur disposés soit dans une chaudière soit dans un réacteur.

1ere option : les échangeurs de chaleur sont disposés dans une grande chaudière : l’eau qui circule dans les tubes des échangeurs récupère la chaleur dégagée par la combustion d’un combustible (charbon, gaz, pétrole, biomasse). C’est le principe des centrales thermiques à combustible fossile ou encore des cycles combinés gaz.

2e option : l’échangeur est disposé dans un grand réacteur : l’eau qui circule dans les tubes de l’échangeur récupère la chaleur dégagée par une réaction nucléaire. C’est le principe des centrales nucléaires.

La filière nucléaire

Pour présenter le nucléaire, il faut d’abord parler de l’atome. La matière, comme l’avait pressenti Démocrite il y a déjà 25 siècles, est constituée d’atomes, c’est-à-dire de grains de matière insécables.  Au centre, se trouve un noyau constitués de charges positives et neutres qu’on appelle d’ailleurs « les nucléons », et autour un cortège d’électrons,  disposés sur différentes couches selon la nature de l’élément chimique dont on parle.

Le terme nucléaire, a pour étymologie « nucléus » mot latin qui signifie « noyau ». On ne s’intéresse donc ici qu’au noyau de l’atome.

?Source ICI
Alors que se passe-t-il exactement ? Certains atomes dits « lourds » possèdent un noyau si dense, qu’ils sont instables. Il se produit alors des réarrangements au sein de ces noyaux de façon à s’alléger et être plus stables. L’ensemble de ces phénomènes par lesquels un noyau se réorganise de la sorte s’appelle de la désintégration radioactive. Il y a alors émission d’un rayonnement sous forme d’énergie pure (rayons gamma) ou sous forme particulaire (rayon alpha (= noyau d’hélium) – rayon béta (émission d’un électron) ainsi que dans tous les cas, la production d’une très grande quantité de chaleur.

Mais les réactions nucléaires peuvent aussi être provoquées : on donne un petit coup de pouce aux atomes instables pour qu’ils se désintègrent. Ainsi en percutant un atome lourd instable, avec un neutron, son noyau se brise en deux noyaux plus petits et une grande quantité de chaleur est libérée : c’est la fission nucléaire. En se brisant, l’atome libère deux ou trois neutrons qui iront à leur tour briser d’autres noyaux dans une réaction en chaîne dégageant de grandes quantités de chaleur. On comprend ainsi ce qu’est « l’emballement » d’une réaction.

L’autre type de réaction nucléaire appliquée (ou en en cours d’application) est la fusion nucléaire, c’est exactement ce qui se passe dans le soleil et les étoiles (à ne pas confondre avec la fusion du cœur d’un réacteur qui est un passage de l’état solide à l’état liquide (ou pâteux)). Dans le cas d’une fusion nucléaire, ce sont deux atomes légers qui s’associent : les deux noyaux s’interpénètrent pour former un noyau plus lourd (deux atomes d’hydrogène (deutérium et tritium plus exactement) qui s’assemblent pour former de l’hélium). De cette fusion, naît de grandes quantités de chaleur bien supérieures à ce que donne la fission d’où son intérêt pour l’avenir. Néanmoins, pour que la fusion se fasse, il faut vaincre la forte répulsion des noyaux légers (même charge) en se plaçant à des températures extrêmement élevées (plusieurs millions de degrés) ce qui n’est pas sans poser des défis techniques. L’énergie libérée étant cependant bien supérieure à l’énergie consommée.

Les réacteurs nucléaires

Pour en revenir à nos moutons, c’est-à-dire à la production d’électricité, le principe d’un réacteur nucléaire est donc de provoquer une réaction de fission à partir d’un combustible fissible : par l’exemple de l’uranium 235 (U235) ou le plutonium 240 (Pu240), des éléments très lourds (beaucoup de protons dans le noyau). Pour ce faire, le cœur du réacteur est constitué par les assemblages de ces éléments sous forme d’oxydes conditionné en petites pastilles enfermées dans des gaines métalliques : soit de l’uranium enrichi, soit plus récemment le MOX (pour Mélange d’Oxydes) un mélange à base de plutonium et d’uranium appauvri : c’est là que se produit la réaction de fission en chaîne décrite par la figure ci-dessous, elle est provoquée par l’émission continue et contrôlée de neutrons.

Pour évacuer la chaleur issue de la réaction et servir à former la vapeur à turbiner, les assemblages contenant les éléments radioactifs sont placés dans une cuve remplie d’eau : c’est l’échangeur décrit plus haut. A ce niveau, deux technologies différentes ont été mises au point:

1e option : L’eau maintenue sous une pression élevée (150 bars environ) s’échauffe à plus de 300°C tout en circulant dans le circuit dit « primaire ». Par l’intermédiaire du générateur de vapeur, c’est-à-dire un 2e gros échangeur, indépendant du réacteur,  l’eau du circuit primaire transmet sa chaleur à un autre circuit fermé : le circuit secondaire, où de la vapeur est produite pour la turbiner. C’est la technologie REP : réacteur à eau pressurisée qui constitue la totalité du parc fra…

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