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Réacteur à eau pressurisée Pour les articles homonymes, voir REP et PWR. Le réa

Réacteur à eau pressurisée Pour les articles homonymes, voir REP et PWR. Le réacteur à eau pressurisée ou REP (PWR pour pres- surized water reactor en anglais) est la ﬁlière de réacteurs nucléaires la plus répandue dans le monde en 2011. Ce réacteur se compose de trois circuits, qui lui per- mette d'utiliser l'énergie fournie par la ﬁssion des atomes d'uranium contenus dans son “coeur nucléaire”. Dans le circuit primaire, les REP utilisent de l'eau comme ﬂuide caloporteur et pour faire oﬃce de modérateur, ce qui les classe dans la famille des réacteurs à eau légère. Cette eau primaire — qui réfrigère le cœur du réacteur — est maintenue sous haute pression (environ 150 bar) pour rester sous forme liquide. La vaporisation de l'eau du circuit secondaire se fait au niveau des générateurs de vapeur - ce qui n'est pas le cas dans les réacteurs à eau bouillante (REB)[1] où il n'y a qu'un circuit. En 2011, les REP équipent environ les deux tiers des réacteurs nucléaires de puissance en fonctionnement dans le monde (dont les 58 réacteurs français)[2], ainsi que les navires et sous-marins nucléaires. Il s’agit d'une techno- logie d'origine américaine développée par Westinghouse, la France ayant jusqu'en 1969 misé sur une autre tech- nologie, l'UNGG. Cette dernière a été abandonnée pour des raisons de rentabilité et aussi de sécurité en raison d'un début de fusion du cœur dans la centrale nucléaire de Saint-Laurent. Schéma de principe d'une tranche nucléaire disposant d'un REP et d'une tour de refroidissement Le combustible nucléaire d'un REP est de l'oxyde d'uranium faiblement enrichi : la proportion d'isotope U- 235 ﬁssile varie de 3 à 5 % selon les pays. Le combustible se présente sous la forme d'environ 272 petites pastilles (h=1,35 cm) empilées et maintenues dans des gaines en zircaloy appelées crayons (h=3,75m), mises sous pression d'hélium. 264 crayons combustibles sont agencés sous forme d'assemblages dont la tenue mécanique est assu- rée par des grilles. Selon les modèles de REP, on charge entre 120 et 250 assemblages dans la cuve du réacteur. Dans le circuit primaire, de l'eau (dite eau légère, par opposition à l'eau lourde D2O) sous pression est char- gée de récupérer la chaleur produite par le cœur : c'est ce ﬂuide caloporteur qui circule au sein des assemblages entre les crayons où se produit la réaction en chaîne. Les produits de la réaction nucléaire (produits de ﬁssion et transuraniens) sont conﬁnés avec l'oxyde d'uranium à l'intérieur de la gaine des crayons pour éviter leur dissé- mination et la contamination du circuit primaire. L'eau du circuit primaire fait également oﬃce de modé- rateur : elle a la capacité de ralentir ou thermaliser les neutrons de ﬁssion. Comme n'importe quel type de réacteur thermique (nu- cléaire ou à ﬂamme), un REP est réfrigéré par un grand débit d'eau froide pompée d'un ﬂeuve ou de la mer qui constitue la source froide du cycle thermodynamique. La plupart des réacteurs refroidis à partir d'eau de rivière sont équipés d'une tour de réfrigération destinée à évacuer la chaleur du circuit tertiaire de réfrigération des conden- seurs de la turbine. Articles connexes : Réacteur pressurisé européen et Centrales nucléaires en France. 1 Fonctionnement 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 18 1 2 3 4 5 6 17 19 20 Filière REP : schéma simpliﬁé d'architecture Le contrôle de la réaction est assuré, à court terme, par la 1 2 1 FONCTIONNEMENT Vue en coupe d'une cuve de REP hauteur des barres de commande insérées dans les assem- blages combustibles, et à moyen terme, par la concentra- tion de bore dans l'eau du circuit primaire. Les paramètres typiques de fonctionnement de l'eau du circuit primaire donnés dans le cas du palier N4 1450 MWe[Note 1] le plus récent des réacteurs français sont les suivants : • puissance thermique chaudière = 4 270 MW • puissance thermique extraite du cœur = 4 250 MW (cas du palier N4 : 1450 MWe)[Note 2] • pression : 155 bar • température en entrée de cuve du réacteur : 292,2 °C[Note 3] ; enthalpie = 1 296,1 kJ/kg • température en sortie de cuve du réacteur : 328,2 °C ; enthalpie = 1 506,4 kJ/kg • température moyenne de l'eau dans le cœur : 310,2 °C • masse volumique de l'eau à la température d'entrée cuve (température de l'eau passant dans les pompes primaires) = 742,04 kg/m3 • débit primaire : environ 98 000 m3/h, soit 27,222 m3/s, soit environ 20 200 kg/s ; variable avec la puis- sance thermique du type de réacteur considéré • quatre boucles et une pompe par boucle placée en sortie des générateurs de vapeur, donc en branche froide, dans le cas du palier N4 ; deux, trois ou quatre boucles primaires équipées chacune d'une ou plus rarement de deux pompes primaires placées en sor- tie des générateurs de vapeur dans les autres mo- dèles. • quatre générateurs de vapeur situés dans la même enceinte que le réacteur transfèrent la chaleur de la chaudière nucléaire (circuit primaire) vers le circuit secondaire comportant la turbine à vapeur, dans le cas du palier N4 ; deux ou trois générateurs de va- peur dans les autres modèles. • un pressuriseur constitué d'une capacité dans lequel un matelas de vapeur à 155 bar/345,80 °C est main- tenu qui assure la pressurisation du circuit primaire ; le pressuriseur constitue le vase d'expansion du cir- cuit primaire ; la surface libre de l'eau dans le pres- suriseur est maintenue à 345,80 °C, grâce à un ré- seau de cannes chauﬀantes électriques (à l'image des chauﬀe-eau ordinaires) ; le pressuriseur est relié au circuit primaire par une ligne non isolable débou- chant dans une boucle chaude ; il porte les soupapes de sûreté du circuit primaire. En sortie des générateurs de vapeur, la vapeur d'eau secondaire possède les caractéristiques moyennes suivantes[Note 4] : • pression : 72 bar dans le cas du palier N4 (enthalpie de la vapeur saturée sèche = 2 770,9 kJ/kg) ; 55 bar dans le cas des modèles plus anciens • température vapeur : 287,7 °C dans le cas du palier N4 ; 270 °C dans le cas des modèles précédents • température d'eau alimentaire : 229,5 °C dans le cas du palier N4 (enthalpie = 988,9 kJ/kg ; masse volu- mique = 832,18 kg/m3) • débit alimentaire et vapeur : 10 365,9 m3/h, 2 396,2 kg/s dans le cas du palier N4 ; proportionnel au 1er ordre à la puissance thermique dans le cas des autres paliers. La vapeur d'eau sous haute pression est détendue dans le corps haute pression (HP) de la turbine, puis surchauﬀée avant de poursuivre sa détente dans les corps basse pres- sion (BP). La turbine entraîne un alternateur qui produit l'électricité. Le rendement global de conversion de la chaleur en élec- tricité est d'environ 35,1 % dans le cas du palier N4 et 33 % dans le cas des modèles antérieurs. À la sortie de la turbine, la vapeur d'eau passe dans un condenseur aﬁn de retourner à l'état liquide, puis d'en ex- traire certains gaz incondensables (tels le dioxygène) de l'eau. Cette eau est ensuite réchauﬀée avant de retourner aux générateurs de vapeur. Dans la majorité des centrales sur ﬂeuve ou rivière, la chaleur de l'eau du circuit secondaire est transférée à un 1.1 Auto-stabilité du réacteur à eau pressurisée 3 circuit tertiaire, constitué principalement par une tour de réfrigération, dans laquelle l'eau est répartie en ﬁnes gout- telettes, ce qui permet d'une part un bon échange entre l'eau et l'air et donc ramène l'eau à une température voi- sine de celle de l'air ambiant (voir température humide) et d'autre part sature en vapeur d'eau le débit d'air cir- culant de bas en haut dans la tour. Une partie du débit d'eau s’évapore dans la tour, (environ 500 à 1 000 L/s dé- pendant des conditions climatiques du moment, soit un débit massique d'un ordre comparable au débit de va- peur produit par les générateurs de vapeur de la centrale) [réf. nécessaire] le reste tombe en pluie dans le bassin situé en dessous de la tour où il est pompé et retourne refroi- dir le condenseur. L'eau évaporée est remplacée par de l'eau venant du ﬂeuve ou de la rivière. L'eau tertiaire qui sert au refroidissement des condenseurs des turbines de la centrale est pompée en amont de la tour de réfrigération dans le ﬂeuve ou la rivière. Certains réacteurs sont refroidis en puisant l'eau et la re- jettent directement dans un ﬂeuve ou une rivière, ce qui augmente sensiblement la température de ces cours d'eau, ce qui en période chaude et/ou de bas débit de ces cours d'eau peut amener les autorités à faire baisser leur niveau de puissance, voire à les faire arrêter par l'exploitant. Il n'y a pas non plus de réfrigérant atmosphérique pour les réacteurs refroidis à l'eau de mer ce qui augmente la température au moins localement au niveau du rejet de 10 °C environ. 1.1 Auto-stabilité du réacteur à eau pres- uploads/Finance/ reacteur-a-eau-pressurisee.pdf