L'utilisation d'énergie nucléaire

L'énergie nucléaire est principalement utilisée pour produire de l'électricité, cependant ont la retrouve également dans comme moyen de propulsion.

Le fonctionnement d'un réacteur nucléaire à fission

LE COMBUSTIBLE

    Le combustible d’une centrale nucléaire est constitué d’atomes fissibles à partir duquel on va pouvoir produire de l’électricité. Les principaux atomes fissiles sont l’uranium 235, l’uranium 233,   le plutonium 239 et le plutonium 241. L’uranium étant présent dans la nature, il est donc le plus utilisé dans la centrale nucléaire. Le combustible nucléaire est placé dans le cœur du réacteur. L’uranium est enrichi puis converti en poudre d'oxyde d'uranium enfin il est comprimé sous forme de pastilles (de 7 à 8 mm de diamètre pour les REP). Qui sont empilé dans la gaine (sorte de tube métallique)

Des pastilles combustibles et un crayon

LES BARRES DE CONTRÔLE, PIÉGEUSES DE NEUTRONS

Dans un réacteur, des barres absorbantes de neutrons appelées “barres de commande” ou “barres de contrôle” assurent un contrôle permanent de la réaction en chaîne dans le réacteur. Elles  sont, par exemple, à base de bore. Ces barres sont mobiles, elles peuvent donc être retiré ou introduis dans le cœur du réacteur afin de diminuer plus ou augmenter la vitesse de réaction, elles permettent donc de piloter le réacteur. De plus, en cas d’incident, ces barres peuvent être totalement introduites dans le réacteur afin de stopper quasi instantanément la réaction en chaîne

Coeur d'un réacteur

LE CALOPORTEUR, UN TRANSPORTEUR DE CHALEUR

La fission provoque une libération d’énergie thermique qui doit être récupéré afin de produire de l’électricité. Ce rôle est assuré par le caloporteur, il s’agit d’un fluide permettant de faire circuler la chaleur. En circulant autour des barreaux d’uranium, ce fluide joue deux rôles distincts : récupérer l’énergie du combustible et l’extraire du réacteur, et maintenir la température permettant le bon fonctionnement du cœur du réacteur.
    Le combustible est isolé au caloporteur par un gaine métallique étanche, ce qui évite des contacts entre eux deux et donc des des réactions chimiques ainsi que des particules du combustible (notamment les produits de fission qui, étant très radioactif, seront les plus gênantes) de sortir de la cuve du réacteur par le biais du caloporteur.

Cuve d'un réacteur

LE MODÉRATEUR, UN RALENTISSEUR DE NEUTRONS

La plupart des réacteurs comportent également ce que l’on appelle un modérateur. Son rôle est de ralentir les neutrons qui sont  beaucoup trop rapide (20 000km/s), à cause d’une trop grande énergie, pour provoquer de nouvelle fission. Ces neutrons sont dis rapides.
    En effet, lorsque les neutrons possédant une trop grande vitesse passent trop vite à proximité des atomes d’uranium ce qui raréfient les réactions de fissions. Pour que les réactions de fission se produisent plus facilement, et en plus grand nombre, il faut donc ralentir 10 000 fois la vitesse des neutrons passant d’une vitesse de 20 000 km/s jusqu’à une vitesse de l’ordre de 2 km/s. Ces derniers sont alors appelés neutrons lents ou neutrons “thermiques”. On peut freiner ces neutrons en les faisant traverser une matière dont les atomes ne les absorbent pas. A l’instar d’une boule de billard les neutrons perdent de la vitesse en rebondissant sur les noyaux. Ce ralentissement est plus efficace  lorsque les obstacles sont des noyaux légers, de masse voisine de celle des neutrons, tels que ceux d’hydrogène. Cette  matière est appelée le modérateur.
    Pour un bon fonctionnement du réacteur, combustible et modérateur doivent être alternés.

LE GÉNÉRATEUR DE VAPEUR, UN ÉCHANGEUR DE CHALEUR

    Le caloporteur, qui s’est réchauffé au contact du combustible, sort du cœur du réacteur à une température élevée, entre 300 et 550 °C.
De l’eau vas être chauffé par le caloporteur dans un appareil appelé “générateur de vapeur” et va être portée à ébullition pour produire de la vapeur. Cette vapeur entraîne ensuite un jeu turbine couplée à un alternateur produisant de l’électricité. À la sortie de la turbine, la vapeur va être refroidit par l’eau d’une rivière proche afin de se condenser.

Transport d'un générateur à vapeur

DIFFÉRENTES FAMILLES DE RÉACTEURS

Une centrale nucléaire produit, à partir d’un combustible nucléaire, de l’électricité. Cependant, même si le principe reste le même pour toutes les centrales nucléaires, il existe plusieurs familles de réacteurs, que l’on appelle filières. Ils faut obligatoirement quatre composants pour concevoir un réacteur nucléaire :

• un combustible dans lequel se produit la fission ;
• un fluide caloporteur qui transporte la chaleur hors du réacteur ;
• un modérateur (sauf pour les réacteurs à neutrons rapides) qui permet de ralentir les neutrons ;
• des barres de commande qui contrôlent la réaction en chaîne.

Il peut avoir plusieurs possibilité pour se composant (notamment les trois premiers). Par exemple, le caloporteur peut être gazeux (gaz carbonique) ou liquide (eau). Cependant, toutes les combinaisons possibles n’ont pas donné lieu à des réalisations industrielles. Les principales sont décrites dans le tableau des différentes familles de réacteurs ci dessous :