Fonctionnement d'une centrale nucléaire

Si l'énergie nucléaire fait parfois peur, c'est qu'on ne connaît pas son mode de production. Voici quelques précisions sur le fonctionnement des centrales nucléairescentrales nucléaires et le devenir des déchetsdéchets produits.

Centrales nucléaires : comment fonctionnent-elles ? © DR

Centrale nucléaire : comment produit-on de l'électricité ?

La production d'électricité dans la centrale nucléaire est basée sur des réactions de fissionfission qui s'autoentretiennent et produisent un dégagement permanent d'énergie : les neutrons libérés lors de la fission doivent pouvoir aller frapper à leur tour d'autres noyaux fissiles, suivant le processus de la réaction en chaîne.

Deux procédés sont utilisés pour augmenter les chances de rencontres entre noyaux fissiles et neutrons : 

• l'enrichissement de l'uranium dont nous avons déjà parlé dans la page précédente ;
• le ralentissement des neutrons, par une substance qui a la propriété de réduire leur vitesse, sans les absorber : le modérateur

Le ralentissement des neutrons par un modérateur

Le rôle du modérateur est donc de ralentir les neutrons qui seraient sans cela trop énergétiques pour provoquer efficacement de nouvelles fissions. Les neutrons issus de fissions, du fait de leur grande énergie, se déplacent à grande vitesse (20.000 km/s). Ils passent alors trop vite à proximité des atomesatomes d'uranium et les réactions de fission sont difficiles à obtenir. D'où la nécessité de les ralentir considérablement, (jusqu'à une vitesse de l'ordre de 2 km/s).

Les neutrons sont freinés lorsqu'ils traversent une matièrematière qui est composée d'atomes dont les noyaux ne les absorbent pas. En effet, comme des boules se déplaçant sur une table de billard où se trouvent d'autres boules, les neutrons perdent de la vitesse en rebondissant sur les noyaux. Ce ralentissement se produit rapidement lorsque les obstacles sont des noyaux légers de massemasse voisine des neutrons tels que ceux d'hydrogènehydrogène. Les modérateurs usuels sont le graphitegraphite, l'eau ordinaire et l'eau lourdeeau lourde. L'eau lourde, constituée de moléculesmolécules d'eau dont l'atome d'hydrogène est remplacé par un atome de deutérium, plus lourd que l'hydrogène, a les meilleures qualités recherchées dans un modérateur : elle ralentit bien les neutrons et les absorbe peu. Malheureusement, sa fabrication coûte cher.

La fission de l'uranium dans le cœur du réacteur nucléaire fournit de l'énergie sous forme de chaleur, générant de la vapeur d'eau. Celle-ci entraîne une turbine et convertit ainsi l'énergie thermiqueénergie thermique en énergie mécanique. La turbine entraîne, à son tour, un alternateuralternateur, qui convertit l'énergie mécanique en électricité.

Anatomie d'une centrale nucléaire

Circuit d'eau d'une centrale nucléaire. © Futura-Sciences

Toutes ces opérations sont permises par les trois circuits d'eau de la centrale nucléaire. Le circuit primaire dans lequel circule un fluide caloporteurfluide caloporteur récupère la chaleur dégagée par la fission de l'uranium. Le fluide caloporteur est un liquideliquide (eau ou eau lourde) ou un gazgaz (gaz carboniquegaz carbonique ou héliumhélium) qui circule à grande vitesse au contact des éléments du combustiblecombustible. Il doit être capable de bien conduire la chaleur et ne pas trop absorber de neutrons. Le circuit secondaire, indépendant du premier, reçoit cette chaleur et produit de la vapeur d'eau pour faire tourner la turbine. Le circuit de refroidissement, quant à lui, fait circuler de l'eau froide pour condenser à nouveau la vapeur du circuit secondaire. Ces trois circuits opèrent des échanges thermiques entre eux tout en restant indépendants, ce qui évite toute dispersion de la substance radioactive à l'extérieur de la centrale.

Le cœur du réacteur est constitué d'une cuve en acieracier contenant le combustible et l'eau du circuit primaire. Des barres de contrôles (borebore ou cadmiumcadmium), introduites par le couvercle de la cuve dans le cœur du réacteur, permettent de régler la puissance de la réaction en chaîne. Elles ont en effet la propriété de « manger » les neutrons. L'immersion totale des barres dans le cœur du réacteur permet ainsi de stopper en deux secondes la réaction en chaîne.

L'ensemble est enfermé dans une enceinte en bétonbéton étanche qui assure le confinement.

Les déchets nucléaires

Toute activité humaine produit des résidus. L'utilisation des propriétés radioactives de certains éléments, que ce soit pour la production d'électricité ou dans les domaines de la santé, de l'industrie ou de la recherche, ne fait pas exception à cette règle.

On appelle déchets radioactifsdéchets radioactifs (ou déchets nucléaires), toute matière dont on ne prévoit pas d'utilisation ultérieure et dont le niveau d'activité ne permet pas un rejet direct dans l'environnement.

Les installations nucléaires ne sont pas les seules productrices de déchets radioactifs. C'est aussi le cas des hôpitaux, de certaines industries, des centres de recherche et des universités.

Dans les centrales nucléaires, lors de l'arrêt de tranche, un tiers du combustible usé est retiré et renouvelé. Comme il est très radioactif, l'opération de transfert s'effectue sous eau : directement de la cuve à une piscine de refroidissement, près du réacteur. L'eau permet d'une part de piéger les rayonnements et d'autre part de refroidir les pastilles. Elles y restent au moins un an. Leur activité diminue naturellement : elle est douze fois plus faible après un mois de séjour et trente fois plus faible cinq mois plus tard.

Lorsque le combustible est refroidi et qu'il a perdu une bonne partie de sa radioactivitéradioactivité, il est inséré dans un conteneur de béton ou d'acier. Cette opération s'effectue également sous l'eau. Les conteneurs sont ensuite acheminés vers l'usine de retraitement de la Hague (Manche).

On distingue trois catégories de déchets, en fonction de la période radioactive, du niveau d'activité et du type de rayonnement émis. Il faut savoir que 90 % d'entre eux ont une vie courte et une activité faible à moyenne (environ 100 Bq par gramme de matière). Les 10 % restant sont partagés entre des déchets à vie longue et grande activité et des déchets à très faible activité. L'ensemble des déchets radioactifs produits chaque année représente des quantités relativement faibles en volumevolume : 1 kilo par habitant en France, contre 2.500 kilos pour les déchets industriels et domestiques.