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Comment fonctionne une centrale nucléaire
Une centrale nucléaire produit du courant électrique à partir de la chaleur. C’est donc une centrale thermique, au même titre qu’une centrale à charbon ou à gaz. A cette différence près que la production de chaleur ne génère ni polluants ni gaz à effet de serre.
La fission des noyaux atomiques libère de l’énergie. Cette énergie chauffe de l’eau sous haute pression, qui se transforme en vapeur très chaude, sur le principe de la cocotte-minute. Cette vapeur entraîne une turbine reliée à un alternateur qui produit alors du courant. Ce courantest acheminé jusqu’au consommateur par le réseau de distribution.
Partie nucléaire et partie conventionnelle
Une centrale nucléaire se compose, pour l’essentiel, de deux parties. Dans la partie nucléaire, la fission nucléaire produit de la chaleur. Dans la partie conventionnelle, cette chaleur est transformée en courant électrique. La partie conventionnelle est très similaire à celle que l’on trouve dans les centrales à charbon, les centrales à gaz et les centrales géothermiques. Les tours de refroidissement que l’on voit de loin ne sont donc pas l’apanage des centrales nucléaires, elles sont également présentes dans les centrales à charbon et les centrales à gaz. Le panache qui sort de la tour de refroidissement est un panache de vapeur.
Production de chaleur dans la partie nucléaire
Logé dans la partie nucléaire, le cœur du réacteur est la pièce maîtresse de la centrale. Il se compose d’éléments combustibles de plusieurs mètres de long comprenant eux-mêmes des faisceaux de crayons combustibles très fins. Ces derniers renferment le combustible nucléaire sous la forme de petites pastilles d’uranium (également appelées «pellets»). Le processus de fission nucléaire, qui produit de la chaleur, se déroule à l’intérieur des crayons combustibles, fermés hermétiquement. Le cœur du réacteur se trouve au sein de la cuve de pression. Celle-ci possède une épaisse paroi en acier.
C’est sous cette forme qu’est utilisé l’uranium dans une centrale nucléaire. Trois à quatre de ces pastilles d’oxyde d’uranium permettent de produire l’électricité que consomme un ménage de quatre personnes pendant un an.
Il existe plusieurs types de réacteurs de par le monde. La plupart d’entre eux sont à eau légère. Les cinq centrales nucléaires suisses – Beznau 1 et 2, Mühleberg, Gösgen et Leibstadt – sont équipées de réacteurs à eau légère.
Dans les réacteurs à eau légère, l’eau a deux fonctions. D’une part, elle sert d’agent de refroidissement et achemine l’énergie du réacteur vers les turbines à vapeur. D’autre part, elle freine les neutrons libérés lors de la fission nucléaire (constituants du noyau atomique de charge électrique neutre) et joue le rôle de modérateur. Ce n’est qu’en étant freinés que les neutrons peuvent déclencher d’autres fissions nucléaires (réaction en chaîne). S’il n’y a pas d’eau dans le réacteur à eau légère, les neutrons ne sont plus freinés et la réaction en chaîne s’arrête. Il existe deux variantes de réacteurs à eau légère: les réacteurs à eau sous pression et les réacteurs à eau bouillante. En Suisse, les deux variantes coexistent.
Fonctionnement d’une centrale nucléaire possédant un réacteur à eau sous pression
Dans les réacteurs à eau sous pression (Beznau 1 et Beznau 2 et Gösgen), l’eau contenue dans le réacteur est chauffée sous haute pression, mais ne bout pas. L’eau chauffée est acheminée vers des générateurs de vapeur à l’extérieur du réacteur, où elle transmet sa chaleur à un autre circuit d’eau. Dans le deuxième circuit, l’eau chauffe et se transforme en vapeur. Cette vapeur actionne les turbines de la partie conventionnelle de la centrale nucléaire.
Fonctionnement d’une centrale nucléaire possédant un réacteur à eau bouillante
Dans les réacteurs à eau bouillante (Leibstadt et Mühleberg), la vapeur est produite dans la cuve de pression du réacteur et est acheminée directement vers les turbines. Contrairement à ce qui se produit dans les réacteurs à eau sous pression, la vapeur qui parvient aux turbines contient des traces de substances radioactives à vie courte.
Production d’électricité dans la partie conventionnelle
Les turbines à vapeur et les alternateurs se trouvent dans la salle des machines de la partie conventionnelle. La vapeur chaude provenant du réacteur entraîne les turbines qui, à leur tour, entraînent l’alternateur qui transforme cette énergie cinétique en électricité – comme sur un vélo où la dynamo produit le courant pour l’éclairage.
Refroidissement de la turbine à vapeur
Pour que les turbines à vapeur puissent transformer la chaleur de la vapeur acheminée en un mouvement mécanique, les différences de température et de pression en amont et en aval de la turbine doivent être aussi élevées que possible. A cette fin, un autre circuit d’eau refroidit la vapeur qui a traversé la turbine jusqu’à ce qu’elle se condense en eau liquide. Une pompe ramène cette eau du condensateur au générateur de vapeur (réacteur à eau sous pression) ou au caisson sous pression du réacteur (réacteur à eau bouillante) où elle est à nouveau chauffée et réacheminée jusqu’aux turbines sous forme de vapeur d’eau.
Refroidissement direct par l’eau du fleuve
Dans les centrales nucléaires de Beznau 1 et Beznau 2 et Mühleberg, l’eau nécessaire au refroidissement de la vapeur à la sortie des turbines est prélevée dans l’Aar. Elle sera rejetée dans la rivière à une température légèrement plus élevée. Des valeurs limites contraignantes protègent l’Aar d’un échauffement excessif. Ce circuit d’eau est totalement séparé du réacteur et ne contient aucune substance radioactive.
Refroidissement dans une tour de refroidissement
Dans les centrales nucléaires de Gösgen et de Leibstadt, le condensateur est refroidi par de l’eau qui fait l’aller et retour entre la centrale et la tour de refroidissement. L’eau chauffée dans la centrale ruisselle dans la tour de refroidissement. Les gouttelettes d’eau qui retombent dissipent la chaleur dans le courant d’air de la tour de refroidissement (effet de cheminée). Une petite partie de l’eau s’évapore: c’est le panache de vapeur que l’on voit sortir de la tour. Ce nuage se compose exclusivement de gouttelettes d’eau et est totalement inoffensif pour l’environnement. L’eau qui s’est évaporée est remplacée par de l’eau de l’Aar (Gösgen) et du Rhin (Leibstadt). Ce circuit aussi est complètement séparé du réacteur et ne contient aucune substance radioactive.
Cette tour de refroidissement dont le panache de vapeur est visible de loin est une tour de refroidissement par voie humide à circulation naturelle. L’air chaud monte dans la tour. Le rétrécissement au milieu et la grande hauteur de 140 mètres et plus génèrent un fort courant d’air du bas vers le haut, comme dans une cheminée: l’air chaud s’échappe par le haut, tandis que de l’air extérieur, plus froid, entre par le bas. Cet air froid refroidit les gouttelettes d’eau qui tombent, sans aucun apport d’énergie.
On trouve également des tours de refroidissement hydrides. Nettement moins hautes qu’une tour de refroidissement par voie humide à circulation naturelle, elles ne produisent quasiment aucun panache de vapeur, ce qui diminue leur impact sur le paysage. En revanche, une tour de refroidissement hybride a besoin de ventilateurs pour créer un courant d’air suffisant. La centrale nucléaire allemande de Neckarwestheim possède une tour hybride de ce type. Celle-ci consomme environ 1,4 pour cent du courant produit.
Le rendement n’est pas l’étalon de toute chose
Une centrale nucléaire de la génération actuelle transforme un tiers de la chaleur dégagée par la fission nucléaire en électricité. En revanche, une centrale à cycle combiné moderne affiche un taux d’efficacité pouvant atteindre les 58 pour cent. La raison à cette différence est physique. Les centrales nucléaires fonctionnent à environ 300 degrés et les centrales à cycle combiné à plus de 1200 degrés.
Des lois physiques (facteur de Carnot) limitent le rendement maximum d’une centrale nucléaire. Ce qui veut dire que plus la température augmente, plus le rendement maximum augmente. Les futures centrales nucléaires de génération future, comme le réacteur à très haute température, pourraient atteindre un rendement de 70 pour cent grâce à leur température de processus élevée.
Toutefois, le rendement des différentes installations de production d’électricité en lui-même n’est pas déterminant. La quantité d’énergie qu’il faut déployer, de l’extraction de la matière première à l’élimination des déchets, pour obtenir un kilowattheure d’électricité, est bien plus décisive. Dans le domaine de l’énergie nucléaire, le rapport entre input d’énergie total et output d’énergie total est très faible. Pour en savoir plus sur ce thème, cliquez ici.
Une utilité supplémentaire: la chaleur à distance, respectueuse de l’environnement
Le rendement des centrales nucléaires peut être amélioré en utilisant systématiquement la chaleur résiduelle. La centrale nucléaire de Beznau alimente en chaleur plus de 2600 bâtiments de type industriel, artisanal, commercial, bâtiments publics et ménages privés via le réseau de chaleur à distance Refuna. Environ 4000 foyers, soit environ 15’000 personnes, profitent de cet approvisionnement en chaleur rationnel, économique, écologique et qui ne produit pas de CO₂.
La centrale nucléaire de Beznau prélève la vapeur nécessaire au système de chaleur à distance dans le circuit de vapeur. Comme celle-ci n’est alors plus disponible pour la production de courant, l’insuffisance électrique est de 6,2 à 9 MW. En revanche, le rendement total de la centrale (puissance de l’alternateur et puissance thermique par rapport à la puissance thermique du réacteur) monte à 37 pour cent.
La centrale nucléaire de Gösgen fournit de la chaleur industrielle à deux papeteries. Les 20’000 tonnes de fuel ainsi économisées chaque année permettent d’éviter le rejet dans l’atmosphèrede 60’000 tonnes de CO₂ par an. Un million de tonnes de CO₂ ont ainsi été économisées au total depuis le début.