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> INTRODUCTION De la fission à la réaction en chaîne 6 > Le fonctionnement d’un

> INTRODUCTION De la fission à la réaction en chaîne 6 > Le fonctionnement d’un réacteur nucléaire DE LA RECHERCHE À L’INDUSTRIE > De la fission à la réaction en chaîne LA FISSION NUCLÉAIRE LES COMPOSANTS D’UN RÉACTEUR NUCLÉAIRE LES DIFFÉRENTS TYPES DE RÉACTEURS LA COLLECTION 1 > L’atome 2 > La radioactivité 3 > L’homme et les rayonnements 4 > L’énergie 5 > L’énergie nucléaire: fusion et fission 6 > Le fonctionnement d’un réacteur nucléaire 7 > Le cycle du combustible nucléaire 8 > La microélectronique © Commissariat à l’Énergie Atomique, 2002 Direction de la communication Bâtiment Siège - 91191 Gif-sur-Yvette cedex www.cea.fr ISSN 1637-5408. 6 >Le fonctionnement d’un réacteur nucléaire > INTRODUCTION De la fission à la réaction en chaîne 6 > Le fonctionnement d’un réacteur nucléaire > SOMMAIRE 3 2 introduction U ne centrale électrique est une usine qui produit de l’électricité. Il existe des cen- trales thermiques, des centrales hydrauliques… et des centrales nucléaires. Toutes sont basées sur le même principe: faire tourner une tur- bine couplée à un alternateur qui fabrique de l’électricité. La différence de fonctionnement se situe au niveau de l’entraînement de la turbine. Dans les centrales hydrauliques, l’eau des barrages actionne la turbine. Dans les cen- trales thermiques classiques, un combustible fossile (charbon, gaz naturel ou pétrole) est brûlé pour transformer de l’eau en vapeur capable d’entraîner la turbine. Dans les cen- trales nucléaires, les noyaux d’uranium rem- placent le combustible fossile. En se cassant, ces gros noyaux libèrent de l’énergie nucléaire, qui sera utilisée pour produire de la vapeur d’eau laquelle, de la même manière que dans les centrales thermiques, peut activer la turbine. Le premier réacteur nucléaire est construit en 1942, aux États-Unis, par Enrico Fermi. Il est “Le premier réacteur nucléaire a été construit en 1942, aux États-Unis. Six ans plus tard, un réacteur similaire fonctionne pour la première fois en France.” constitué d’un empilement de 6 tonnes d’uranium métallique, 34 tonnes d’oxyde d’uranium et 400 tonnes de graphite. La “pile de Fermi” (appelée ainsi à cause des empilements) génère une puissance de 0,5watt seulement. En France, le premier réacteur d’essai Zoé, est construit par le CEA dans son centre d’études de Fontenay- aux-Roses. Cette pile fonctionne pour la première fois le 15 décembre 1948. En 1953, sa puis- sance est portée à 150 kW et elle cesse de fonc- tionner en 1976. Depuis, le bâtiment Zoé a été transformé en “musée de l’Atome”. Aujourd’hui, les réacteurs des centrales nucléaires françaises délivrent de 900 à 1450 mégawatts* d’électricité. La chaudière nucléaire – présente dans les réacteurs – constitue la partie de la cen- trale nucléaire fournissant la chaleur nécessaire à la production de vapeur d’eau. Les autres élé- ments (turbine, alternateur, etc.) sont communs à toutes les centrales. * Mégawatt: un million de watts. LA FISSION NUCLÉAIRE 4 Les atomes fissiles 5 L’énergie libérée par la fission 5 Les neutrons et la réaction en chaîne 6 LES COMPOSANTS D’UN RÉACTEUR NUCLÉAIRE 7 Le combustible 8 Les barres de contrôle, piégeuses de neutrons 9 Le caloporteur, un transporteur de chaleur 9 Le modérateur, un ralentisseur de neutrons 10 Le générateur de vapeur, un échangeur de chaleur 10 LES DIFFÉRENTS TYPES DE RÉACTEURS 11 Différentes familles de réacteurs 12 Les réacteurs à eau sous pression (REP) 15 Les réacteurs à neutrons rapides (RNR) 15 Les réacteurs à caloporteur gaz (RCG) 15 > INTRODUCTION 3 Lefonctionnement d’unréacteurnucléaire Gros plan d’un cœur de réacteur. Chargement du réacteur et fermeture du couvercle de la cuve au Centre national de production d’électricité (CNPE) de Civaux (tranche 1). Les fondateurs du premier réacteur d’essai: Lew Kowarski (à gauche) et Frédéric Joliot- Curie (à droite). Ci-contre, le bâtiment du premier réacteur d’essai Zoé. De la fission à la réaction en chaîne 6 > Le fonctionnement d’un réacteur nucléaire Conception et réalisation: Spécifique - Photo de couverture: © EDF - Illustrations: YUVANOE - Impression: Imprimerie de Montligeon - 09/2002 © Médiathèque EDF © Médiathèque EDF De la fission à la réaction en chaîne 6 > Le fonctionnement d’un réacteur nucléaire > LA FISSION NUCLÉAIRE 5 4 LA FISSION D’UN ATOME DÉGAGE UNE ÉNERGIE QUI SE TRANSFORME EN CHALEUR. LE PRINCIPE DU RÉACTEUR NUCLÉAIRE EST DE LA RÉCUPÉRER POUR EN FAIRE DE L’ÉLECTRICITÉ. LES ATOMES FISSILES Le noyau de certains gros atomes a la pro- priété de se casser en deux sous l’effet d’une collision avec un projectile bien choisi. En l’occurrence, le neutron est un projectile particulièrement bien adapté. En effet, sans charge électrique, cette parti- cule a la faculté d’approcher suffisamment près le noyau, chargé positivement, sans être repoussée par des forces électriques. Le neu- tron peut alors pénétrer à l’intérieur de ce noyau et le briser en deux morceaux. Il ne s’agit pas d’une explosion du noyau sous l’effet du choc mécanique avec le neutron, mais d’une cassure interne déclenchée par l’arrivée de ce neu- tron supplémentaire. C’est le résultat du bou- leversement induit lors de l’intégration du neutron arrivant dans le noyau, sous l’action de la force nucléaire (voir livret L’énergie nucléaire: fusion et fission). La fragmenta- tion du noyau est appelée réaction de fission. Un atome ayant la faculté de se briser en deux lors d’une collision est dit fissile. Les plus connus d’entre eux sont l’uranium 235 et le plutonium 239. Les deux morceaux obtenus après la fission d’un gros noyau sont les pro- duits de fission. Ils sont la plupart du temps radioactifs. De la fission à la réaction en chaîne 6 > Le fonctionnement d’un réacteur nucléaire La fission nucléaire © Médiathèque EDF © CERN Geneva L ’ÉNERGIE LIBÉRÉE PAR LA FISSION La réaction de fission d’un noyau s’accompagne d’un grand dégagement d’énergie. Les deux produits de fission emportent une grande partie de cette énergie sous forme cinétique:ils sont éjectés avec une grande vitesse (8000 km/s). Ils se frayent un chemin parmi les autres atomes en les “bousculant” car ils constituent de gros projec- tiles. Au cours de ces chocs, ils per- dent rapidement leur vitesse (et donc leur énergie) en échauffant la matière environnante et s’arrêtent dans la masse d’uranium. Leur énergie de départ se trouve finalement transformée en chaleur: localement, Les atomes dont les noyaux sont instables sont dits radioactifs. Ces noyaux se transforment naturellement en d’autres noyaux en émettant des rayonnements (voir livret La radioactivité). L’énergie cinétique est l’énergie d’un corps en mouvement. Elle augmente avec sa masse et sa vitesse. Une voiture roulant à très grande vitesse a plus d’énergie cinétique que la même voiture roulant à petite vitesse. En effet, si la première percute un objet, les dégâts seront plus importants que si c’était la seconde. De même, une petite voiture a moins d’énergie qu’un camion roulant à la même vitesse. “Chaque fission libère deux à trois neutrons d’énergie élevée se déplaçant à 20000 km/s.” la température de l’uranium augmente. Le principe d’un réacteur nucléaire consiste à récupérer cette chaleur pour la transformer en électricité. LES NEUTRONS ET LA RÉACTION EN CHAÎNE Chaque fission produit aussi en moyenne deux à trois neutrons d’énergie élevée qui se dépla- cent à très grande vitesse (20000 km/s) parmi les atomes d’uranium. L’énergie emportée par les neutrons représente une faible partie de l’énergie totale libérée lors de la fission, l’essentiel de cette énergie étant emporté par les produits de fission. Mais les neutrons étant de masse faible par rapport aux produits de fission, leur vitesse est très grande. Projectiles de petite dimension, neutres élec- triquement, les neutrons vont pouvoir se pro- pager relativement loin avant d’interagir avec un autre noyau d’atome. S’il s’agit d’un atome d’uranium 235, ils donneront éventuellement lieu à une nouvelle fission. Les deux ou trois neutrons libérés lors d’une fission vont pouvoir provoquer à leur tour de nouvelles fissions et la libération de nouveaux neutrons et ainsi de suite… c’est la réaction en chaîne. Dans un réacteur nucléaire, la réaction en chaîne est maîtrisée pour maintenir un rythme de fissions constant. C’est-à-dire que sur les deux ou trois neutrons libérés lors d’une fis- sion, seul l’un d’entre eux en provoque une nou- velle, les autres étant capturés. Un équilibre doit être atteint: une fission donne une fission, qui donne une fission, qui donne une fission, etc. (et non pas une fission donne deux fissions qui donnent quatre fissions, qui donnent huit fissions, etc.). La quantité de chaleur libérée à chaque seconde dans la masse d’uranium est ainsi parfaitement contrôlée. De la fission à la réaction en chaîne 6 > Le fonctionnement d’un réacteur nucléaire 6 > LA FISSION NUCLÉAIRE Réaction en chaîne contrôlée dans les réacteurs nucléaires “Dans un réacteur nucléaire, la réaction en chaîne est maîtrisée afin de maintenir un rythme de fissions constant.” GRÂCE À SES DIFFÉRENTS COMPOSANTS, LE RÉACTEUR NUCLÉAIRE EST À MÊME DE RÉCUPÉRER ET DE TRANSFORMER LA CHALEUR. Les composants d’un réacteur nucléaire Les composants d’un réacteur nucléaire © Framatome De la fission à la réaction en chaîne 6 > Le fonctionnement d’un réacteur nucléaire 7 Neutron. > LES COMPOSANTS D’UN RÉACTEUR NUCLÉAIRE De la fission à la réaction en chaîne uploads/Finance/ le-fonctionnement-d-x27-un-reacteur-nucleaire-la-collection 1 .pdf