Publié par Clément

Nucléaire

Qu’est-ce qu’une centrale nucléaire ? Comment fonctionne-t-elle ?

Une centrale nucléaire est une centrale thermique. Le principe est simple, elle crée de l’énergie mécanique qui fait tourner une turbine, celle-ci étant rattachée à un générateur, cette énergie mécanique est donc transformée en énergie électrique.

Mais pour d’abord créer cette énergie mécanique, la centrale nucléaire va suivre un cycle thermodynamique classique.

Ici le réacteur nucléaire a pour unique rôle de chauffer, donc de créer une source de chaleur chaude. Et de manière opposée, l’aéroréfrigérant (souvent sous la forme d’une grande tour que l’on peut voir de loin) ne sert qu’à refroidir, donc de créer du froid.

C’est la différence de température entre ces deux sources (chaude et froide) qui va donner de la vitesse au fluide qui traverse le circuit primaire, et qui va finalement permettre de faire tourner la turbine. Pour faire plus simple on peut aussi dire que la chaleur fournie sert à évaporer l’eau et que la vapeur produite entraîne la turbine et fait tourner le générateur qui produit de l’électricité.

Si une centrale nucléaire est si efficace à côté, par exemple, d’une centrale à charbon, c’est seulement car la quantité de chaleur produite est beaucoup plus importante dans le cas d’une fission nucléaire, que pour le cas de la combustion du charbon.

Animation de Pâris Almageste.

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Que se passe-t-il au sein du réacteur nucléaire ?

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La Fission

Principe

Dans le réacteur d’une centrale nucléaire, c’est la fission du combustible nucléaire qui fournit la chaleur. Ce type de réaction se produit en chaîne. Un neutron envoyé sur un noyau massif le déstabilise énergétiquement entraînant sa fission en deux noyaux de masse inférieure et produisant des neutrons qui vont à leur tour provoquer la fission de noyaux et ainsi de suite.

La réaction, auto-entretenue, se poursuit tant que du combustible est disponible. Ceci présente un avantage essentiel pour assurer la production continue d’énergie ou lorsque l’on cherche à fabriquer une bombe très puissante. Avantage qui peut vite devenir un inconvénient si la réaction s’emballe et entraine la fusion complète du réacteur et la pollution radioactive qui s’en suit comme ce fut le cas à Tchernobyl en 1986.

L’énergie de cette réaction est produite lors de la séparation entre le noyau initial et les deux noyaux produits, durant laquelle les protons d’un même noyau se repoussent vigoureusement par leurs charges électrostatiques. A la suite de cette division, la masse du système a diminué, une partie de cette masse a donc disparu et a été transformée en énergie.

Cette énergie s’écrit: E=mc². Or, ≈ 9×1016 . Voilà donc pourquoi cette réaction est si intéressante énergétiquement, car l’énergie dégagée est équivalente à 100000000000000000 fois la masse disparue. Celle-ci est évacuée sous forme de chaleur vers l’environnement. Cette chaleur peut ensuite être exploiter par une centrale nucléaire pour créer de l’électricité.

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La Fusion

Principe

La fusion nucléaire est la réaction qui a lieu au coeur des étoiles, donc celle qui se produit actuellement au coeur du soleil. Dans ce processus, des noyaux d’atomes légers fusionnent pour former des atomes plus lourds, comme pour le phénomène de fission, c’est la transformation d’une partie de la masse en énergie, pendant la fusion, qui va entrainer une création de chaleur très importante. La réaction produit, à quantité égale de combustible, 4 à 5 fois plus d’énergie que les réactions de fission qui sont utilisées dans les centrales nucléaires actuelles.

Cependant, cette énergie nucléaire est beaucoup plus difficile à maitriser. La réaction de fusion a lieu à des températures avoisinants plusieurs dizaines de millions de degrés. Dans ces conditions, la matière se présente sous la forme d’un plasma.

La première difficulté consiste donc à confiner cet ensemble de particules chargées et très énergétiques. La seconde consiste à obtenir une densité de matière très élevée pour pousser les noyaux d’atomes -qui naturellement se repoussent par l’effet des forces électriques- à se rencontrer et fusionner, tout comme sur l’animation.

Dans le cas d’une étoile, l’obtention des hautes températures et des hautes densités est assurée de manière simultanée par l’effondrement gravitationnel de l’étoile sous sa propre masse. Les réactions de fusion produisent alors l’énergie nécessaire pour contrebalancer cet effondrement et assurer la stabilité de l’astre. Du moins, jusqu’à l’utilisation totale des combustibles présent au coeur de celle-ci qui entraine la mort de l’étoile.

Combustibles

La source du premier combustible nécessaire, le deutérium, un isotope d’hydrogène présent dans l’eau de mer ordinaire, est pratiquement inépuisable. L’autre combustible principal, le tritium, s’obtient à partir du lithium que l’on trouve dans des gisements terrestres et dans l’eau de mer, lesquels abritent des réserves pouvant tenir plusieurs milliers d’années.

Pour le cas de la fusion, il n’existe pas de risque d’emballement comme pour la fission, puisque dès que les conditions de température et/ou de densité de la matière ne sont plus réunies, la réaction s’interrompt. La fission est donc un processus plutôt simple à mettre en oeuvre mais risqué alors qu’au contraire la fusion est un processus complexe mais qui ne présente pas de risques similaires

De plus, dans le cas de la fusion, les déchets radioactifs sont en quantité beaucoup moins importante, et ont des durées de vie considérablement plus courtes, de l’ordre de la centaine d’année, alors qu’il faut plusieurs centaines de milliers d’années à l’uranium, le combustible de la fission, pour devenir moins radioactif.

Quand pourra-t-on se servir de la fusion ?

On a donc là une source d’énergie propre et capable de fournir en énergie la planète entière de manière quasiment infinie. De quoi mettre tout le monde d’accord. Mais quand serons nous capable de nous servir de cette technologie ? Selon certains scientifiques, la fusion nucléaire permettrait vers 2080 une production d’énergie électrique abondante, sans pollution et pour un coût modeste. Voire même dès 2050, si des décisions importantes étaient prises rapidement à haut niveau.

Pour créer les conditions de fusion nucléaire, deux procédés ont jusque là été explorés : le confinement magnétique et le confinement inertiel, mais si plusieurs voies pourraient conduire à la réalisation de réacteur par fusion, il est encore trop tôt pour savoir lesquelles aboutiront, c’est-à-dire proposeront un rendement permettant une production industrielle d’énergie. Elles présentent chacune des obstacles qu’il reste à surmonter et qui demandent des progrès théoriques aussi bien que techniques. Mais la production d’énergie par fusion nucléaire étant un enjeu majeur à l’échelle internationale, les grandes puissances scientifiques consacrent des budgets conséquents pour la réalisation d’instruments, que ce soit à l’échelle nationale avec les installations laser pour les procédés de confinement inertiel, ou à l’échelle internationale notamment au travers du projet ITER.