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17.2 : Produire de l'électricité grâce à l'énergie nucléaire

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    Le cycle du combustible nucléaire

    Le minerai d'uranium doit être extrait, broyé et enrichi pour produire du combustible nucléaire. Le cycle du combustible nucléaire représente la progression du combustible nucléaire depuis sa création jusqu'à son élimination (figure\(\PageIndex{a}\)). La première étape du cycle du combustible nucléaire est la récupération de l'uranium, au cours de laquelle le minerai d'uranium est extrait. Il est ensuite broyé pour produire du yellowcake (concentré de minerai d'uranium/oxyde d'uranium/U 3 O 8). Le broyage sépare l'uranium des autres parties du minerai. Chaque tonne de minerai d'uranium extrait produit généralement 1 à 4 livres de gâteau jaune (0,05 % à 0,20 % de gâteau jaune). Ensuite, le concentré de minerai d'uranium est converti en hexafluorure d'uranium (UF 6). Il est ensuite enrichi pour augmenter la concentration d'uranium 235 (235 U) par rapport à 238 U. Lors de la fabrication du combustible, l'UF 6 naturel et enrichi est converti en dioxyde d'uranium (UO 2) ou en alliages métalliques d'uranium pour être utilisé comme combustible pour les centrales nucléaires. L'élimination des barres de combustible usé et des autres déchets dangereux générés par ce processus est abordée dans Conséquences de l'énergie nucléaire.

    Les flèches et les icônes représentent les étapes du cycle du combustible nucléaire
    Figure\(\PageIndex{a}\) : Le cycle du combustible nucléaire commence par la récupération (extraction) de l'uranium naturel, suivie du broyage, de la conversion et de l'enrichissement. L'uranium enrichi fait ensuite l'objet d'une fabrication de combustible, produisant du dioxyde d'uranium (UO 2) ou des alliages métalliques d'uranium (MOX). Le combustible est ensuite acheminé vers un réacteur nucléaire de la centrale. Les barres de combustible usé sont stockées dans une piscine ou un fût sec, potentiellement retraitées et envoyées à l'élimination. L'uranium retraité peut revenir aux premières étapes du cycle du combustible. Les déchets produits lors de l'enrichissement sont déconvertis avant d'être éliminés. Image du NRC américain (domaine public)

    Réacteurs nucléaires

    Le combustible, qui se présente maintenant sous forme de pastilles céramiques cylindriques, est ensuite scellé dans de longs tubes métalliques appelés barres de combustible, qui sont assemblés dans des cœurs de réacteurs avec des barres de commande. Chaque pastille de combustible, d'une longueur d'environ 1 cm, emmagasine la même quantité d'énergie qu'une tonne de charbon. Des milliers de barres de combustible forment le cœur du réacteur, site de fission nucléaire dans une centrale nucléaire (figure\(\PageIndex{b}\)).

    Tubes métalliques cylindriques brillants disposés en rectangle 3D
    Figure\(\PageIndex{b}\) : Un assemblage de barres de combustible contenant des pastilles de combustible nucléaire. Image de la Commission des énergies alternatives et de l'énergie atomique, France (domaine public)

    La chaleur est produite dans un réacteur nucléaire lorsque des neutrons frappent des atomes d'uranium, provoquant leur scission dans une réaction en chaîne continue qui libère de l'énergie thermique (figure\(\PageIndex{c}\)). Plus précisément, la fission de 235 U libère des neutrons supplémentaires, qui provoquent ensuite la fission des noyaux 235 U voisins. Cependant, si la fission se produit simultanément dans un trop grand nombre d'atomes, trop d'énergie est libérée, ce qui peut provoquer une explosion ou une fusion. Cela est évité par des barres de commande, qui sont faites d'un matériau tel que le bore qui absorbe les neutrons excédentaires libérés lors de la fission nucléaire. Lorsque les barres de commande absorbant les neutrons sont retirées du cœur, davantage de neutrons deviennent disponibles pour la fission et la réaction en chaîne s'accélère, produisant ainsi plus de chaleur. Lorsqu'ils sont insérés dans le noyau, moins de neutrons sont disponibles pour la fission et la réaction en chaîne ralentit ou s'arrête, réduisant ainsi la chaleur générée.

    La fission de l'uranium 235 est induite par un neutron, ce qui provoque une réaction en chaîne
    Figure\(\PageIndex{c}\) : Schéma d'une réaction de fission en chaîne. (1) Un atome d'uranium 235 absorbe un neutron et se fisse en deux nouveaux atomes (fragments de fission), libérant trois nouveaux neutrons et de l'énergie. (2) L'un de ces neutrons est absorbé par un atome d'uranium 238 et ne poursuit pas la réaction. Un autre neutron est simplement perdu et n'entre en collision avec rien, ne poursuivant pas non plus la réaction. Cependant, un neutron entre en collision avec un atome d'uranium 235, qui se fisse ensuite et libère deux neutrons et une certaine énergie de liaison. (3) Ces deux neutrons entrent en collision avec des atomes d'uranium 235, qui se fissurent et libèrent chacun entre un et trois neutrons, et ainsi de suite. Image et légende (modifiées) par Fastfission (domaine public).

    Les réacteurs nucléaires (figure\(\PageIndex{d}\)) contiennent le cœur du réacteur et les machines nécessaires pour produire de l'électricité à partir de la chaleur dégagée. Le cœur du réacteur est immergé dans l'eau. En plus de transférer de l'énergie thermique, l'eau sert également à ralentir ou à « modérer » les neutrons nécessaires au maintien des réactions de fission. En fin de compte, l'énergie thermique est utilisée pour générer de la vapeur à haute pression, qui fait tourner une turbine pour produire de l'électricité. Le mécanisme est similaire à celui de l'électricité produite au charbon ou au gaz naturel, mais la fission nucléaire plutôt que la combustion du charbon est la source d'énergie thermique.

    Section de la centrale nucléaire à cinq étapes étiquetée
    Figure\(\PageIndex{d}\) : (1) Dans un réacteur nucléaire, des barres de combustible remplies de pastilles d'uranium sont placées dans de l'eau. (2) À l'intérieur des barres de combustible, les atomes d'uranium se divisent, libérant de l'énergie. (3) Cette énergie chauffe l'eau et crée de la vapeur. (4) La vapeur passe par une turbine, qui fait tourner un générateur pour créer de l'électricité. (5) Dans le condenseur, la vapeur se refroidit à nouveau en eau, qui peut ensuite être réutilisée. Dans certaines centrales nucléaires, une tour de refroidissement dégage de la chaleur supplémentaire. Image et légende (modifiées) par l'EPA (domaine public).

    Il existe deux principaux types de réacteurs nucléaires : les réacteurs à eau sous pression et les réacteurs à eau bouillante.

    Réacteur à eau sous pression

    Dans un réacteur à eau sous pression, il existe trois flux d'eau distincts : l'eau en contact avec le cœur du réacteur, l'eau qui produit de la vapeur et l'eau de refroidissement (figure\(\PageIndex{e}\)). Le cœur du réacteur est immergé dans de l'eau, qui est maintenue par une cuve en acier. Il est entouré d'une structure de confinement. Lorsque la réaction de fission nucléaire réchauffe l'eau qui l'entoure, l'eau est pompée dans un flux cyclique. Il transfère la chaleur au deuxième jet d'eau, qui se trouve dans un récipient séparé. Ce second flux est maintenu à une pression plus basse, ce qui permet à l'eau de bouillir et de créer de la vapeur. La vapeur fait tourner une turbine, produisant de l'électricité. La vapeur est ensuite refroidie dans le condenseur par un flux séparé d'eau de refroidissement. Comme l'eau du cœur du réacteur ne se mélange pas aux autres parties du réacteur, le réacteur n'est pas entièrement radioactif.

    Un réacteur à eau sous pression contient un cœur de réacteur, trois flux d'eau, une turbine, une génération et un condenseur
    Figure\(\PageIndex{e}\) : Il y a trois flux d'eau distincts dans un réacteur à eau sous pression. Le premier flux est associé au cœur du réacteur dans la cuve sous pression du réacteur. Le second flux est associé au générateur de vapeur. Le troisième flux provient d'une source externe et est utilisé pour condenser la vapeur. La cuve sous pression du réacteur contient des barres de commande et des barres de combustible (non étiquetées). Le réservoir sous pression régule la pression d'eau. L'eau chaude du réacteur est acheminée vers le générateur de vapeur, où elle chauffe l'eau du second flux pour produire de la vapeur. La vapeur provenant du générateur de vapeur passe par la conduite de vapeur et fait tourner une turbine, alimentant ainsi le générateur électrique. La vapeur se refroidit dans le condenseur et l'eau refroidie est ensuite pompée dans le générateur de vapeur. Le récipient sous pression, le réservoir sous pression et le générateur de vapeur du réacteur se trouvent tous dans une structure de confinement. L'eau provenant d'une source externe est utilisée pour refroidir la vapeur dans le condenseur. L'eau de la source externe se refroidit dans la tour de refroidissement en forme de cône. Image de l'Office of Nuclear Energy/Département de l'Énergie des États-Unis (domaine public).

    Réacteur à eau bouillante

    Dans un réacteur à eau bouillante, il existe deux flux d'eau distincts : l'eau en contact avec le cœur du réacteur et l'eau de refroidissement (figure\(\PageIndex{f}\)). Le cœur du réacteur chauffe l'eau dans laquelle il est immergé. Cette eau est retenue par un récipient en acier entouré d'une structure de confinement. La vapeur produite lorsque le cœur du réacteur chauffe l'eau fait tourner une turbine, qui produit de l'électricité. La vapeur est ensuite refroidie dans le condenseur par un flux séparé d'eau de refroidissement. Comme l'eau du cœur du réacteur entre en contact avec toutes les parties du réacteur, l'ensemble est radioactif.

    Un réacteur à eau bouillante contient un cœur de réacteur, deux flux d'eau, une turbine, une génération et un condenseur
    Figure\(\PageIndex{f}\) : Un réacteur à eau bouillante possède deux flux d'eau. Dans le premier flux, c'est la même eau qui baigne le cœur du réacteur dans la cuve sous pression du réacteur et se transforme en vapeur et fait tourner une turbine. Le troisième flux provient d'une source externe et est utilisé pour condenser la vapeur. La cuve sous pression du réacteur contient des barres de commande et des barres de combustible (non étiquetées). Il se trouve dans une structure de confinement plus grande. Lorsque l'eau est chauffée par le réacteur, elle s'évapore en vapeur. Celui-ci se déplace dans la conduite de vapeur et fait tourner une turbine qui alimente le générateur électrique. La vapeur se refroidit dans le condenseur et l'eau refroidie est ensuite pompée dans la cuve sous pression du réacteur. L'eau provenant d'une source externe est utilisée pour refroidir la vapeur dans le condenseur. L'eau de la source externe se refroidit dans la tour de refroidissement en forme de cône. Image de l'Office of Nuclear Energy/Département de l'Énergie des États-Unis (domaine public).

    Attribution

    Modifié par Melissa Ha à partir des sources suivantes :