Que se passe-t-il dans le cœur d'un réacteur nucléaire ?

La France génère les trois quarts de son électricité grâce à l'énergie nucléaire, utilisée depuis les années 1950. Aujourd'hui, ce sont 56 réacteurs répartis sur 18 centrales nucléaires dans tout le pays qui fournissent près de 400 térawattheure (TWh). Le principe est le même que pour toute centrale dite thermique : l'électricité est produite à partir d'une source de chaleur.

Dans le cas de l'énergie nucléaire, la chaleur est créée par des réactions nucléaires qui se déroulent dans la cuve du réacteur, qui correspond à ce qu'on appelle aussi cœur du réacteur. En France, la technologie utilisée repose sur un combustible sous forme de crayons, entouré par de l'eau liquide sous pression : tous les réacteurs sont des REP (pour réacteurs à eau pressurisée). L'eau contenue à l'intérieur de la cuve du réacteur, qui entoure le combustiblecombustible, s'y trouve à très haute température, autour de 300 °C, si bien qu'à pression atmosphérique elle serait sous forme de vapeur. Mais au sein du « circuit primaire », qui achemine la chaleur créée par les fissionsfissions vers un circuit « secondaire » qui exploite cette chaleur, l'eau est maintenue à une pression d'environ 155 barsbars, soit presque 155 fois la pression atmosphériquepression atmosphérique ! Cela lui permet ainsi de rester liquide.

C'est dans le bâtiment réacteur, représenté ici, que se déroulent la production de chaleur et un début d'extraction. Les différents composants sont désignés par des trigrammes. Seuls les éléments qui composent le circuit primaire – la circulation d'eau qui touche directement le combustible – sont contenus dans le bâtiment réacteur, en plus de quelques circuits de sauvegarde. © IRSN

Si la cuve paraît bien petite dans ce schéma, c'est elle qui contient toute la chaleur qui est extraite ensuite, du haut de ses 12 mètres de haut ! Elle est reliée ensuite aux « GV » ou générateursgénérateurs de vapeur, qui eux mesurent environ 20 mètres de haut : l'eau de la cuve, réchauffée par le combustible, circule jusqu'au générateur de vapeur, où elle transmet sa chaleur à l'eau qui y était déjà contenue. Mais sans jamais la toucher, afin d'éviter toute contamination radioactive. Tout se fait par passage de tuyaux interposés, comme sur l'illustration : l'eau du générateur de vapeur se vaporise après s'être réchauffée (d'où le nom), et vient faire tourner une turbine... qui génère de l'électricité ! On compte trois ou quatre boucles de refroidissement dans un réacteur, c'est-à-dire trois ou quatre ensembles de générateur de vapeur + tous les éléments autour. Seuls la cuve et le pressuriseur (qui maintient la pression à 155 bars) sont uniques.

Si on regarde à plus petite échelle : la cuve, irremplaçable !

Comme dit plus haut, c'est la cuve du réacteur nucléaire qui contient toute la chaleur. Regardons de plus près ses composants :

C'est dans la cuve que se déroulent toutes les réactions nucléaires : ainsi, elle est conçue pour tenir face à des irradiations, en étant notamment particulièrement homogène. © IRSN

Elle constitue l'un des composants irremplaçables des réacteurs, et surtout le plus précieux. Le combustible nucléaire s'y trouve sous forme de crayons d'une hauteur d'environ quatre mètres, rassemblés au sein d'assemblages combustibles qui en contiennent entre 250 et 300 selon le type de réacteur. Les tubes-guides des barres de commande permettent de maîtriser la réaction en chaîneréaction en chaîne : les fissions provoquent d'autres fissions, et ainsi de suite. Le but est d'obtenir une fission pour une autre, c'est-à-dire une puissance stable. Les tubes permettent ainsi de guider des grappes absorbantes qu'ils contiennent, qui, comme leur nom l'indique, absorbent des neutronsneutrons. Ils rigidifient aussi la structure de l'assemblage. La circulation d'eau se fait comme indiqué sur le schéma : l'eau « froide », qui revient des générateurs de vapeur est réintégrée et circule entre les assemblages. Elle se réchauffe au contact des crayons combustibles, puis sort de l'autre côté et retourne aux générateurs de vapeur.

Et à encore plus petite échelle : les réactions nucléaires dans la cuve

Mais comment la chaleur est-elle créée par les crayons combustibles ? C'est là que la fission intervient ! Les crayons sont composés d'oxyde d'uraniumuranium et parfois de plutoniumplutonium sous forme de pastilles assemblées les unes par-dessus les autres, et recouvertes d'une gaine en alliagealliage de zirconiumzirconium. Différents isotopesisotopes de l'uranium ou de plutonium sont contenus, dont certains sont dits « fissiles » : lorsqu'on ajoute un neutron à leur noyau, ce dernier devient instable, et se divise en deux noyaux plus légers, appelés « produits de fission ». Mais la fission n'est pas juste la division en deux d'un noyau. Lors de la réaction, des neutrons sont émis instantanément, en plus des deux noyaux plus légers résultant de la fission. Ces neutrons vont ensuite entrer en collision avec d'autres noyaux fissiles, et ainsi de suite. Mais il existe aussi ce qu'on appelle les « neutrons retardés » : ils résultent des décroissances radioactives des produits de fission, et peuvent aussi provoquer des fissions.

 Lorsqu'un neutron est absorbé par un noyau fissile, ce dernier devient instable et se brise en deux : c'est ce que l'on appelle la fission nucléaire. © Hawkeye7, Wikimedia commons

Lors de la mise en route du réacteur, une source de neutrons est utilisée : elle permet d'enclencher la réaction en chaîne, qui s'entretient ensuite par elle-même et grâce à des contrôles continus dans le réacteur. La chaleur, quant à elle, est créée principalement par l'énergie cinétiqueénergie cinétique des particules mises en mouvementmouvement par les réactions de fission. De plus, l'eau ralentit les neutrons qui y effectuent des collisions et y transmettent ainsi de la chaleur. Enfin, les produits de fission sont souvent eux-mêmes radioactifs, et libèrent de l'énergie lors de leurs décroissances, notamment par l'émissionémission de rayons gammarayons gamma.