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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 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 6 > Le fonctionnement d’un réacteur nucléaire De la fission à la réaction en chaîne 6 > Le fonctionnement d’un réacteur nucléaire 9 8 LE COMBUSTIBLE Le combustible d’une centrale nucléaire contient des atomes fissiles dont on va extraire de l’énergie par fission. Les principaux atomes fissiles sont l’uranium 233, l’uranium 235, le plutonium 239 et le plutonium 241. Seul l’uranium 235 se trouve à l’état naturel. C’est donc le plus souvent lui qui est utilisé comme combustible dans les centrales nucléaires. Le combustible nucléaire est placé dans le cœur du réacteur (voir livret Le cycle du combus- tible nucléaire). Cuve d’un réacteur C’est une enceinte métallique étanche en acier renfermant le cœur du réacteur, les structures de supportage de ce cœur et les structures de guidage des grappes de contrôle. Assemblage combustible > LES COMPOSANTS D’UN RÉACTEUR NUCLÉAIRE © Framatome/Rey Robert Les crayons de combustible renferment de l’oxyde d’uranium. © C. Pauquet/Framatome LES BARRES DE CONTRÔLE, PIÉGEUSES DE NEUTRONS Dans un réacteur, le contrôle permanent de la réaction en chaîne est assuré grâce à des “barres de commande”, également appelées “barres de contrôle”, absorbantes de neutrons qui sont, par exemple, à base de bore. Ces barres sont mobiles dans le cœur du réacteur: elles peuvent être remontées ou extraites en fonction du nombre de neutrons à absorber. Elles permettent de piloter le réacteur. De plus, en cas d’incident, l’enfoncement complet, ou chute, de ces barres au sein du combustible stoppe presque instantanément la réaction en chaîne. LE CALOPORTEUR, UN TRANSPORTEUR DE CHALEUR L’énergie libérée sous forme de chaleur lors de la fission des noyaux d’uranium 235 doit être récupérée pour servir à la production d’électricité. Ce rôle est assuré par le calo- porteur. Comme son nom l’indique, il s’agit d’un fluide transporteur de chaleur. En circulant autour des barreaux d’uranium, ce fluide joue deux rôles: prendre la chaleur du combustible pour la transporter hors du cœur du réacteur, et maintenir la température de celui-ci à une valeur compatible avec la tenue des matériaux. Le combustible est entouré d’une gaine métal- lique formant un boîtier étanche afin de l’isoler du fluide caloporteur. Cette précaution évite que le combustible, qui est très chaud, soit © CEA Chargement de cœur de réacteur. Simulation de neutronique. “Alors que les «barres de commande» piègent les neutrons, le caloporteur extrait la chaleur du réacteur.” Couvercle Colonne d’entretien Tube guide du circuit primaire Entrée d’eau du circuit primaire Sortie d’eau du circuit primaire Cuve Commande de barre de contrôle Instrumentation interne directement en contact avec le caloporteur, ce qui pourrait provoquer des réactions chimiques entre les deux. Elle empêche aussi que des particules du combustible puissent passer dans le caloporteur et sortir ainsi de la cuve du réacteur. En fait, ce ne sont pas les parti- cules d’uranium qui seraient les plus gênantes si elles passaient dans uploads/Finance/ livret-reacteur-pdf.pdf