Energie & Réacteurs

Réacteurs nucléaires

Centrale nulcéaire de Doel

L'application la plus connue de l'énergie nucléaire est la production d'électricité par les centrales nucléaires. La chaleur dégagée lors de la fission des noyaux atomiques permet de fabriquer de la vapeur qui alimente une turbine couplée à un générateur pour la production d'électricité. Des réacteurs nucléaires sont aussi utilisés dans les porte-avions, brise-glaces et sous-marins.

La possibilité d'utiliser un réacteur nucléaire comme source d'énergie pour les engins spatiaux est toujours à l'étude.

On a démontré au Japon et au Kazakhstan que la chaleur produite par les réacteurs nucléaires commerciaux peut être utilisée à fabriquer l'eau potable à partir de l'eau de mer (désalinisation).

Des centrales nucléaires qui, outre la production d'électricité, servent au chauffage urbain sont surtout présentes en Europe de l'Est et dans la Fédération de Russie, mais aussi en Chine et en Suisse.

Production d'électricité dans une centrale nucléaire

Une centrale nucléaire produit de l'énergie par fission nucléaire. Cela nécessite donc un combustible: l'uranium ou le plutonium.

L'uranium naturel est présent dans la croûte terrestre, dans certains minerais ou minéraux. On en trouve entre autres au Canada, en Afrique du Sud, en Australie et au Congo. L'uranium naturel ne convient pas comme combustible pour les réacteurs nucléaires belges. Il ne contient que 0,72 % de l'isotope fissile d'uranium 235 (²³⁵U).

Pour servir de combustible, la teneur en ²³⁵U doit être augmentée jusqu'à 4 à 5 %. Cela s'appelle l'enrichissement. Cette opération est réalisée dans des usines spécialisées. La fission de ²³⁵U libère environ 1 à 2,5 millions de fois plus d'énergie qu'une quantité comparable de combustible fossile.

Fonctionnement d'un réacteur nucléaire

Dans la cuve du réacteur d'une centrale nucléaire belge, l'eau circule autour des aiguilles d'uranium (éléments combustibles). Cette eau est chauffée par l'énergie libérée par la réaction de fission nucléaire. La température atteint environ 300 °C mais, grâce à la haute pression, l'eau n'entre pas en ébullition. C'est le circuit primaire.

L'eau primaire est pompée à travers de fins tuyaux de l'échangeur de chaleur/générateur de vapeur du circuit secondaire. L'eau secondaire est ainsi chauffée. Sa pression étant moins élevée, elle se met à bouillir et génère de la vapeur. La vapeur actionne la turbine couplée à une énorme dynamo. Cette dernière fonctionne comme la dynamo d'un vélo, sauf qu'elle est de la taille d'une maison. Cette dynamo produit de l'électricité qui aboutira grâce aux postes de répartition aux prises de courant des maisons.

Pour gérer la réaction nucléaire, on utilise des barres de contrôle. Ces barres ont la propriété d'absorber fortement les neutrons. Les neutrons absorbés ne peuvent dès lors plus provoquer de fission. De telles barres sont aussi utilisées lorsqu'un arrêt d'urgence du réacteur s'impose.

Il faut aussi un modérateur, c'est-à-dire une substance qui freine les neutrons rapides provenant de la désintégration. Les neutrons lents provoquent plus facilement la fission de noyaux d'uranium que les neutrons rapides. Dans les réacteurs belges, c'est l'eau du circuit primaire qui joue le rôle de modérateur.

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Cycle du combustible

1. Extraction du minerai d'uranium

2. Traitement et enrichissement de l'uranium
Dans l'uranium naturel extrait, la quantité de ²³⁵U fissile est trop faible (0,7 %) pour rendre un réacteur à eau critique. L'uranium est enrichi en ²³⁵U jusqu'à 4 à 5 % pour être utilisé dans les centrales nucléaires.

3. Fabrication du combustible
Transformation en dioxyde d'uranium, fabrication des aiguilles de combustible (tubes métalliques fermés par soudure et remplis de pastilles de combustible) et assemblage des éléments de combustible (plusieurs aiguilles dans un assemblage commun).

4. Centrale nucléaire
Les aiguilles de combustible restent 4 ans dans le réacteur pour la production d'électricité. Le cœur d'un réacteur belge typique de 1 000 MW contient environ 80 tonnes d'uranium. Le combustible irradié est stocké après usage dans des dépendances de la centrale en attente de son transfert vers une usine de recyclage ou un lieu de stockage central.

5. Stockage
Les déchets de recyclage sont stockés provisoirement chez Belgoprocess à Dessel. Le combustible non retraité reste dans les dépendances des centrales ou ira dans un futur centre de stockage dans l'attente de son enfouissement définitif dans des couches géologiques.

Optionnel

6. Transport vers l'usine de retraitement

7. Usine de retraitement
Au cours du retraitement, le combustible irradié est séparé en uranium résiduel (96 % du total), plutonium formé (1 %) et déchets (3 %) formés lors de la fission de l'uranium.
Recyclage du plutonium sous la forme de combustible oxyde mixte (le MOX est un mélange d'uranium appauvri (92 %) et de plutonium (8 %).

Cycle du combustible ouvert ou fermé

Le recyclage ou non du plutonium détermine si le cycle est ouvert ou fermé. Dans le cycle fermé, le combustible usé est retraité pour en extraire encore des matériaux fissiles (uranium et plutonium). Dans le cycle ouvert, il n'y a pas de recyclage et les points 6 et 7 n'ont pas de raison d'être.

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