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23 mai 2009 6 23 /05 /mai /2009 23:00

 

 

Fiche technique N° 007

 

 

La production

 

d'électricité nucléaire

 

Aujourd'hui, et cela depuis une quarantaine d'années, l'énergie nucléaire est utilisée pour produire de l'électricité. Comment ?

 

On utilise pour cela un minerai, l'uranium, dont l'un des isotopes, l'Uranium 235, est instable. Il est fissile, c'est à dire que son noyau peut se casser en deux sous l'effet d'un neutron qui le percute. C'est ce qu'on appelle la fission nucléaire et cette réaction libère beaucoup d'énergie.

 

On soumet le noyau de l'atome d'Uranium 235 (235U) à un bombardement de neutrons ; le noyau se casse, en dégageant :
- de la chaleur ;

 

- des rayonnements ;

 

- un ou plusieurs neutrons qui vont à leur tour bombarder d'autres atomes, lesquels vont eux aussi dégager de la chaleur, des rayonnements et des neutrons?

 


C'est ce qu'on appelle
la réaction en chaîne.

 

 

Une centrale nucléaire en France.

 

Le dégagement de chaleur, très intense, est utilisé pour produire de l'électricité nucléaire en grande quantité (plusieurs centaines de milliers de kW).

 

Rappel : la fission des atomes d'U235 radioactifs dégage de la chaleur, mais aussi

 

des rayonnements dont il faut se protéger ;

 

- des déchets radioactifs c'est-à-dire des éléments instables. Certains le resteront pendant des périodes très longues (jusqu'à plusieurs centaines de milliers d'années).

 

Le réacteur nucléaire

 

La réaction en chaîne est produite et entretenue dans un réacteur nucléaire, plus couramment appelé centrale nucléaire.
Le principe : la chaleur dégagée par la fission chauffe de l'eau qui se transforme en vapeur. La vapeur fait tourner une turbine couplée à un alternateur, produisant ainsi de l'électricité.

C'est le principe de toute centrale thermique : dans une centrale thermique à flamme, on chauffe de l'eau, en brûlant du charbon, du pétrole ou du gaz. L'eau est transformée en vapeur et la vapeur est envoyée sur une turbine couplée à un alternateur qui produit de l'électricité.

 

Les grands principes d'une centrale

 

Une centrale nucléaire en France

 

Dans une centrale thermique nucléaire, il n'y a pas de combustion chimique, mais on parle cependant de combustible nucléaire.
L'uranium 235, doit d'abord subir un certain nombre d'étapes de préparation :

 

· On l'enrichit, c'est à dire qu'on augmente la proportion d'U235, fissile. Cette proportion, qui n'est que de 0,7% dans l'uranium naturel, doit être de 3 à 5% ;

 

·  On le soumet à certains traitements chimiques ;

 

·  On le conditionne sous forme de pastilles, insérées dans de longs tubes de métal appelés des crayons ;

 

·  Ces crayons sont rassemblés en « fagots » appelés assemblages, qui sont placés dans la cuve du réacteur nucléaire, remplie d'eau : c'est ce que lon appelle le coeur.

 

Le réacteur comprend trois circuits indépendants : le circuit primaire, le circuit secondaire et le circuit de refroidissement.
Sous l'effet du bombardement neutronique, les atomes d'U235 fissiles se cassent, libérant de la chaleur qui chauffe l'eau dans un circuit fermé, le circuit primaire.

 

L'eau est maintenue à l'état liquide sous pression (155 bars) à 300°C.

 

La récupération de chaleur se fait par échange thermique dans un générateur de vapeur : la chaleur de l'eau du circuit primaire est transmise à travers une multitude de tubes à l'eau du circuit secondaire. C'est cette eau qui se transforme en vapeur et qui va actionner la turbine.

 

Le troisième circuit est le circuit de refroidissement, qui permet de condenser la vapeur et de renvoyer de l'eau froide dans le générateur de vapeur.
Le refroidissement se fait en pompant de l'eau dans la mer ou dans un fleuve. Si le débit n'est pas suffisant, on utilise des tours aéro-réfrigérantes, qui rejettent dans l'atmosphère ces panaches de vapeur d'eau bien identifiables dans le paysage !

A la sortie de l'alternateur, un transformateur élève la tension de l?électricité, pour l'envoyer sur le réseau de transport (400 000 volts).

 

Le contrôle de la réaction nucléaire se fait au moyen des barres de commande : celles-ci ont la propriété d'absorber les neutrons, on peut donc ralentir ou arrêter complètement la réaction en chaîne en faisant descendre ces barres dans la cuve du réacteur.
En cas d'incident, ces barres tombent automatiquement, entraînant l'arrêt de la réaction nucléaire.

 

L'électricité d'origine nucléaire représente 17% de l'électricité consommée dans le monde.

 

 

 

Le cycle du combustible

 

Nucléaire

 

C'est l'ensemble des opérations que doit subir l'uranium avant et après son passage dans le réacteur.
L'uranium est un minerai assez répandu à la surface du globe, très abondant au Canada, en Australie, au Kazakhstan?

 

Mais il n'y a généralement que 1 à 3 kg d'uranium par tonne de minerai !

 

En France, les dernières mines d'uranium ont été fermées à la fin des années 1990 : les gisements étaient de qualité médiocre (taux d'U235 assez bas), et l'exploitation n'était pas rentable.
C'est la Cogema (Groupe Areva) qui exploite le cycle industriel de l'uranium en France.

 

Sur place, à proximité des mines, l'uranium est concentré et transformé en une poudre jaune appelée yellow cake, qui contient 75% d'uranium. C'est sous cette forme que l'uranium est commercialisé.

 

Cette poudre est ensuite transformée en gaz, l'hexafluorure d'uranium qui est enrichi en U235 : la teneur en U235 n'est que de 0,7% dans l'uranium naturel, elle doit atteindre 3 à 5% dans le combustible nucléaire.

 

Les opérations sur le minerai

 

 

L'enrichissement se fait en France par diffusion gazeuse. D'autres procédés sont utilisés par certains pays étrangers.
L'uranium enrichi est alors transformé en oxyde d'uranium, sous la forme dune poudre brune, qui est compactée en petites pastilles qui ne pèsent que 7g mais qui contiennent une énorme quantité dénergie (15g, soit 2 pastilles = 1 tonne de pétrole).

 

Ces pastilles sont empilées dans des tubes très longs et très fins appelés des crayons, regroupés en fagots appelés assemblages combustibles.

 

Ces assemblages restent trois à quatre ans dans le coeur du réacteur où ils subissent la réaction en chaîne et fournissent de l'énergie.

 

Dans les réacteurs français, on consomme environ 27 tonnes d'uranium enrichi par réacteur et par an.

 



La proportion d'U235 s?amenuise peu à peu (l'Uranium 235 se transforme sous l'effet de la fission en U238 et en plutonium), et on remplace les assemblages par tiers tous les trois ou quatre ans, en arrêtant le réacteur. C'est ce qu'on appelle le rechargement.

 

Les assemblages usés, contenant les produits de fission, dégagent de la chaleur et sont extrêmement chauds et très radioactifs : ils sont placés dans des piscines de désactivation, pour qu'ils refroidissent dans un milieu qui arrête les rayonnements (l'eau constitue une barrière qui arrête la radioactivité).

 

Certains pays considèrent la totalité de ces assemblages usagés comme des déchets et envisagent de les stocker en l'état pour les isoler de l'environnement pour toujours : c'est le cas des Etats-Unis.

 

En France, ce combustible usé est retraité :

 

·  Pour récupérer et recycler les 95 % des matières qui peuvent encore fournir de l'énergie ;

 

·  Et pour réduire le volume final des déchets à stocker.

 

Le Japon, l'Allemagne, l'Angleterre, la Belgique retraitent aussi tout ou partie du combustible usé.

 

L'opération de retraitement permet de récupérer du plutonium, utilisé en mélange avec de l'uranium : ce combustible s'appelle le Mox. Il est utilisé dans certains réacteurs en France.

 

 

Les différents types de réacteurs nucléaires

 

Il existe plusieurs types de réacteurs, différents par la nature du combustible employé, le fluide utilisé pour transporter la chaleur (fluide caloporteur), la nature du fluide modérateur (pour ralentir les neutrons). Tous les réacteurs français actuels sont des réacteurs à eau sous pression (REP), de technologie américaine (Westinghouse).  On les appelle PWR dans les pays anglo-saxons. Dans cette filière, l'eau est à la fois le caloporteur et le modérateur.

 

Cette technologie (on parle de filière) représente 63% de la capacité mondiale de production d'électricité nucléaire (80% en Europe).

 

Une autre filière avait été développée en France précédemment, la filière graphite-gaz (UNGG), utilisant de l'uranium naturel, du graphite comme modérateur (pour ralentir les neutrons) et du gaz carbonique comme refroidisseur. On parle de réacteurs de première génération.

 

Il existe d'autres filières, qui utilisent des technologies un peu différentes :

 

- des réacteurs à eau bouillante : le fluide caloporteur est l'eau comme dans les REP (mais de l'eau qui devient bouillante (filière BWR ou RBMK), car elle reste à la pression atmosphérique), le combustible de l'uranium enrichi ;

 

- des réacteurs à neutrons rapides (RNR), appelés aussi surgénérateurs : les neutrons ne sont pas ralentis, il n'y a donc pas de liquide modérateur. Ces neutrons rapides se combinent avec l'Uranium 238, non fissile, et se transforment en Plutonium 239, fissile. Le fluide de refroidissement est du sodium. Le réacteur français Superphénix utilisait cette technologie ;

- des réacteurs à eau lourde
(c'est la filière utilisée au Canada) : leau lourde (oxyde de deutérium) est utilisée comme modérateur pour ralentir les neutrons. Ces réacteurs fonctionnent avec de l'uranium naturel ;

Remarque : les réacteurs dans les pays de l'ex-Union soviétique sont de deux sortes : les plus anciens, appelés RBMK, sont des réacteurs à eau bouillante utilisant du graphite comme liquide modérateur. Ces réacteurs n'ont pas de circuit secondaire et ne disposent pas d'enceinte de confinement. C'est pourquoi l'accident de Tchernobyl a provoqué de tels dégâts sur les hommes et sur l'environnement.

Une nouvelle technologie a été développée ensuite, celle des réacteurs à eau sous pression, de conception très semblable aux réacteurs américains : les VVER.

 

Aujourd'hui, au XXIe siècle, les REP se perfectionnent et deviennent encore plus sûrs, avec un réacteur de conception franco-allemande : l'EPR (European Pressurized Water Reactor). Le premier d'entre eux est en construction en Finlande. Le deuxième est prévu en France sur le site de Flamanville.

 

La recherche se poursuit, sur des réacteurs dits de quatrième génération, qui pourraient être construits à partir de 2020-2030

 

La sûreté nucléaire

 

Dans un réacteur nucléaire de type REP, tout est mis en oeuvre pour confiner la radioactivité. Il existe 3 barrières successives (comme des poupées russes) pour empêcher toute fuite de radioactivité dans l'environnement :

 

·  la 1 ère est la gaine qui entoure le combustible. L'uranium est conditionné sous forme de petites pastilles empilées dans de longs tubes qu'on appelle des crayons. Ces tubes en zircaloy (un alliage très résistant) constituent une première barrière ;

 

·  la 2ème est la cuve du réacteur, une cuve en acier inoxydable de 20 cm d'épaisseur ;

 

·  La 3ème est l'enceinte de confinement, enceinte en béton de 1 m d'épaisseur, qui englobe la cuve, le circuit primaire et le générateur de vapeur. C'est ce qui constitue le bâtiment réacteur. Les réacteurs les plus récents possèdent une double enceinte.

 

Les réacteurs qui présentent ces dispositifs de sûreté sont prévus pour que, même en cas d'accident majeur (emballement du réacteur si la réaction en chaîne n'était plus maîtrisée), il n'y ait aucune fuite de radioactivité à l'extérieur du bâtiment réacteur. C'est le cas de la plupart des réacteurs dans le monde : Etats-Unis, Canada, Europe de l'Ouest, Japon, etc.
Il existe encore dans les pays de l'ex-Union soviétique quelques réacteurs qui utilisent des procédés différents (RBMK) et qui sont moins sûrs.

 

C'est notamment l'absence d'enceinte de confinement à Tchernobyl qui a occasionné des dégâts aussi graves.
La communauté internationale, au sein de l'AIEA (Agence Internationale de l'Energie Atomique), aide ces pays à améliorer ou fermer progressivement les réacteurs considérés comme dangereux.

 

La sûreté est également assurée par les procédures de contrôle/commande des réacteurs. Le pilotage des réacteurs nucléaires est télécommandé depuis une salle de commande où des techniciens veillent en permanence à la sûreté des installations. Les opérateurs sont formés sur des simulateurs et entraînés à réagir à toutes les situations et à mettre en oeuvre les actions prévues par les procédures.

 

Les réacteurs nucléaires actuels sont conçus pour fonctionner pendant quelques dizaines d'années.

 

La sûreté des réacteurs est aussi liée à la maintenance : des révisions régulières sont assurées, chaque fois qu'on arrête le réacteur pour recharger le coeur, et une révision complète a lieu obligatoirement tous les dix ans.

 

En France, c'est l'autorité de sûreté, la DGSNR (Direction générale à la sûreté nucléaire et à la radioprotection), organisme indépendant, qui délivre à la suite de cette visite décennale l'autorisation de fonctionner pendant encore dix ans.
Les réacteurs en service les plus anciens en France ont plus de trente ans.

 

Aux Etats-Unis, certains réacteurs ont obtenu l'autorisation de fonctionner pour une durée totale de soixante ans.

 

La production et la consommation d'énergie nucléaire

 

En 2005, Il existe 440 réacteurs, répartis dans une trentaine de pays, dont 15 pays membres de l'OCDE. 24 réacteurs sont en construction.

 

L'énergie nucléaire est une énergie qui nécessite un haut niveau de technologie et une capacité de financement initial importante. Elle est donc à ce jour essentiellement développée dans les pays industrialisés : Europe de l'Ouest, ex-Union soviétique, Amérique du Nord, Japon. Mais elle progresse dans des pays émergents comme la Chine, dont les besoins en énergie sont énormes. La Chine a acheté des centrales nucléaires, à la France notamment : la France a construit deux centrales, Daya Bay et Ling Ao et a formé le personnel chinois à l'exploitation et à la maintenance des installations. Ces transferts de technologie permettent aux pays en développement d'accéder à cette énergie. Mais la communauté internationale voit parfois avec inquiétude certains pays instables au niveau politique ou opposants farouches à l'hégémonisme américain s'orienter vers cette énergie ! Le risque de prolifération nucléaire militaire plane toujours et des menaces terroristes contre les centrales peuvent inquiéter les populations.

 

L'énergie nucléaire ne représente que 7% de l'énergie primaire et 15 % de l'électricité produite dans le monde. Dans beaucoup de pays, l'électricité nucléaire ne représente qu'un faible pourcentage de la production nationale. La France fait exception : à la fin des années 70, elle a opté pour un développement important de l'énergie nucléaire, qui contribue aujourd'hui à près de 80 % à la production électrique du pays. Dans les pays de l'OCDE, ce pourcentage est en moyenne voisin de 25%. Dans les pays émergents, ce pourcentage devrait progresser dans les années à venir, permettant ainsi de répondre aux énormes besoins de ces pays dont le niveau de vie d'une partie croissante de la population s'élève rapidement.

 

Le choix de l'énergie nucléaire est actuellement remis en cause dans un certain nombre de pays : la Belgique, l'Allemagne, la Suède. Ces pays ont dû, sous la pression de leur opinion publique, s'engager à fermer plus ou moins progressivement des réacteurs. Ils devront remplacer cette énergie par d'autres moyens de production qui leur permettent de respecter les engagements du protocole de Kyoto, concernant les émissions de gaz à effet de serre. Ca ne sera pas facile, au point que certains prévisionnistes pensent que ces pays feront bientôt machine arrière pour relancer le développement du nucléaire sur leur territoire.

 

Production d'électricité nucléaire et sa part dans la production nationale d'électricité dans les principaux pays producteurs :

 

 

Pays

 

Part

 

Production d'électricité

 

nucléaire en 2004

 

(GKWh)

 

Allemagne

 

28%

 

159

 

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