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Université Tébessa Département Génie électrique Spécialité : M2 électrotechniqu

Université Tébessa Département Génie électrique Spécialité : M2 électrotechnique ind Module : production d’énergie Enseignante : Dr BOUGUERNE Chapitre 4 : Centrales nucléaires 4.1 Énergie nucléaire L'énergie nucléaire dépend d'un combustible fissile, l'uranium, dont le minerai est contenu dans le sous-sol de la Terre. Elle permet de produire de l'électricité, dans les centrales nucléaires, appelées centrales électronucléaires, grâce à la chaleur dégagée par la fission d'atomes d'uranium.  La production d'électricité d'origine nucléaire est développée plus largement à partir de 1974, au lendemain du 1er choc pétrolier, révélateur de la dépendance énergétique du pays vis-à-vis des hydrocarbures.  L'énergie nucléaire n'émet pas de gaz à effet de serre. Elle est utilisable en grandes quantités grâce aux puissances qu'elle génère et elle est très compétitive. Une centrale nucléaire se compose de 4 parties principales :  le bâtiment contenant le réacteur dans lequel a lieu la fission  la salle des machines où est produite l'électricité  les départs de lignes électriques qui évacuent et transportent l'électricité  des tours de refroidissement uniquement en bord de rivière 4.2 la fission et la fusion La fission et la fusion sont deux types différents de réactions dans lesquelles de grandes quantités d’énergie sont libérées. Bien que l’énergie soit libérée pendant les réactions de fission et de fusion, la principale différence est que :  La fission est le processus de division d’un atome en deux particules ou quelques particules plus légères  La fusion est la fusion de deux atomes ou plus petites particules pour en former un plus grand. Université Tébessa Département Génie électrique Spécialité : M2 électrotechnique ind Module : production d’énergie Enseignante : Dr BOUGUERNE  La fusion est un phénomène physique naturel, c’est-à-dire qu’il se produit dans la nature  En revanche, la fission ne se produit normalement pas dans la nature.  La fission se produit avec des éléments lourds comme l’uranium et la fusion permet d’obtenir des éléments plus légers.  La fission et la fusion se produisent dans des conditions différentes.  La fission nécessite une masse critique importante et un neutron lent pour amorcer le processus. La fusion se produit lorsque deux noyaux s’approchent très près l’un de l’autre. Ils ne s’assemblent que si la force active entre eux est capable de surmonter la force électrostatique qui les lie.  La fission se produit par réaction en chaîne, et aucune réaction en chaîne ne se produit en fusion.  Dans la fission, la réaction en chaîne se produit en raison de l’interaction entre les neutrons et les isotopes fissiles c’est-à-dire que son noyau peut subir une fission nucléaire sous l’effet d’un bombardement de neutrons rapides ou lents.  Entre-temps, la fusion n’a lieu que dans des conditions extrêmes de température et de pression.  Une autre différence entre les réactions de fission et les réactions de fusion est que l’énergie provenant de la fission peut être contrôlée, mais elle ne peut l’être en fusion.  Bien que la fusion produise plus d’énergie et qu’elle soit moins dangereuse que les réactions de fission, les réacteurs de fusion doivent encore être mis au point, car il est plus coûteux de créer les conditions nécessaires à une réaction de fusion.  En comparant les déchets radioactifs produits par ces deux réactions, les déchets radioactifs issus de la fusion sont très faibles par rapport à ceux produits par une réaction de fission.  La fusion produit également plus d’énergie et peut être trois à quatre fois plus importante que les réactions de fission. Université Tébessa Département Génie électrique Spécialité : M2 électrotechnique ind Module : production d’énergie Enseignante : Dr BOUGUERNE 4.3 Fission nucléaire Une centrale nucléaire produit de l'électricité grâce à la chaleur dégagée par la fission d'atomes d'uranium. a. Réaction en chaîne de la fission nucléaire  L'uranium est un élément constitué d'atomes lourds. Ces atomes possèdent un noyau capable de se casser en deux noyaux plus petits sous l'impact d'un neutron. Ce phénomène est appelé fission nucléaire.  Le neutron n'ayant pas de charge électrique, il peut facilement s'approcher du noyau et pénétrer à l'intérieur sans être repoussé.  La fission s’accompagne d’un grand dégagement d’énergie et en même temps, de la libération de deux ou trois neutrons. Les neutrons libérés peuvent à leur tour casser d'autres noyaux, dégager de l'énergie et libérer d’autres neutrons, et ainsi de suite. C'est ce que l'on appelle une réaction en chaîne.  Dans les réacteurs des centrales, des barres de contrôles constituées de matériaux pouvant absorber les neutrons permettent d'agir sur la réaction en chaîne. Il est donc possible de faire varier la puissance du réacteur, le maintenir en marche ou l'arrêter. b. Contrôle de la fission nucléaire  Une enceinte nucléaire fournie de l'électricité suivant une prévision de consommation. Il faut donc contrôler la puissance thermique et la régler trois fois plus fort que celle-ci (le rendement d'un réacteur nucléaire ne dépasse pas 33% en raison de la température relativement basse de la vapeur).  Pour cela, nous allons introduire dans le cœur des barres de graphite sous forme de crayons plus ou moins enfoncés dans le réacteur. Ceux-ci contiennent des matières absorbant les neutrons comme le carbure de bore (le plus souvent utilisé).  C'est au centre du cœur qu'il y a le plus de flux de neutron, c'est donc en approchant ces crayons que l'on va apaiser la puissance ou en les éloignant que l'on va l'accroître. Les crayons sont donc sous forme de grappe pour éviter des inhomogénéités dans les flux de neutron.  Ces grappes de crayons ont une utilité très importante mais n'agissent que par des déplacements limités.  En cas d'urgence, ou en cas d'anomalie, il faut arrêter la réaction en chaine de la fission en cours pour éviter tout genre de problème.  Il y a donc les barres de sécurité, elles sont aussi sous forme de grappe et, dans un mouvement rapide et brutal, elles sont introduites au cœur du réacteur.  Cette manœuvre d'urgence est souvent sous le contrôle d'un automatisme, mais elle peut aussi être l'œuvre d'un opérateur. Ces barres sont retenues au-dessus de la cuve, dans l'axe du cœur rallié par des électro-aimants. Il suffit donc de couper l'alimentation de ceux-ci pour que les barres chutent et pénètrent dans le cœur et stoppent tout le fonctionnement du réacteur. Université Tébessa Département Génie électrique Spécialité : M2 électrotechnique ind Module : production d’énergie Enseignante : Dr BOUGUERNE 4.4 Les différents types de réacteurs nucléaires Une centrale nucléaire produit toujours de l'électricité à partir d'un combustible nucléaire mais il existe plusieurs types de réacteurs. On peut les classer en 5 grandes catégories en fonction de la nature du combustible utilisé, de la substance qui transporte la chaleur appelée caloporteur et de la substance qui ralentit les neutrons appelée modérateur :  Réacteur à eau pressurisée (ou REP) L'eau sous pression (donc à l'état liquide) est à la fois le caloporteur et le modérateur. Le combustible utilisé est de l'uranium enrichi. Ce type de réacteur est le plus répandu dans le monde, représentant environ 55 % des réacteurs installés.  Réacteur à eau bouillante (ou REB) L'eau est aussi le caloporteur, mais elle n'est plus pressurisée. À pression atmosphérique ambiante, elle devient bouillante. Le combustible utilisé est de l'uranium enrichi. Ce type de réacteur représente 22 % des réacteurs installés dans le monde.  Réacteur à eau lourde L'eau lourde est à la fois le caloporteur (mis sous pression) et le modérateur. C'est une eau constituée de molécules d'eau dont l'atome d'hydrogène est un atome de deutérium, isotope lourd de l'hydrogène. Le combustible utilisé est de l'uranium naturel.  Réacteur à neutrons rapides (ou RNR) Ils n'utilisent pas de modérateur et cherchent à exploiter de façon plus complète les propriétés du combustible. Le fluide caloporteur est un métal liquide (tel le sodium) ou un gaz (par exemple l'hélium). Le combustible utilisé est de l'uranium enrichi ou du plutonium. Ils peuvent générer de la matière fissile, d'où leur nom de surgénérateurs.  Réacteur caloporteur gaz (RCG) L'hélium est le caloporteur. Porté à haute température, il peut alimenter directement la turbine sans échangeur intermédiaire. Il peut permettre la réalisation de centrales de petites tailles (de 100 à 300 MW) et peut également fonctionner avec des neutrons rapides. 4.5 Processus de production d’électricité dans une centrale nucléaire à eau sous pression : Dans les centrales nucléaires, relevant de la filière à eau sous pression, le combustible (pastilles d’uranium), situé dans la cuve du réacteur, chauffe l’eau du circuit primaire, qui lui- même chauffe l’eau du circuit secondaire et la transforme en vapeur, entraîne à son tour un alternateur qui va produire un courant électrique alternatif. Université Tébessa Département Génie électrique Spécialité : M2 électrotechnique ind Module : production d’énergie Enseignante : Dr BOUGUERNE Trois circuits indépendants  Le circuit primaire : pour extraire la chaleur L’uranium, légèrement « enrichi » en isotope 235, est conditionné sous forme de petites pastilles qui sont empilées dans des gaines métalliques étanches réunies en assemblages. Placés dans uploads/Industriel/ chapitre-4-centrales-nucleaires.pdf