Les réacteurs nucléaires

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Les différents type de réacteurs nucléaires : principe de fonctionnement.

Mots clés : réacteur, nucléaire, fonctionnement, explication, REP, EPR, ITER, fusion chaude.

Introduction

La première génération de réacteurs comprend des réacteurs développés dans les années 50-70, en particulier, ceux de la filière Uranium naturel graphite gaz (UNGG) en France et de la filière «Magnox» au Royaume-Uni.

La deuxième génération (années 70-90) voit le déploiement de réacteurs à eau (les réacteurs à eau pressurisée pour la France et à eau bouillante comme en Allemagne et au Japon) qui constituent aujourd’hui plus de 85 % du parc électronucléaire dans le monde, mais aussi des réacteurs à eau de conception russe (VVER 1000) et des réacteurs canadiens à eau lourde du type Candu.

La troisième génération est prête à être construite, prenant le relais des réacteurs de deuxième génération, qu’il s’agisse de l’EPR (European Pressurized water Reactor) ou du réacteur SWR 1000 à eau bouillante modèles proposés par Framatome ANP (filiale d’Areva et Siemens), ou bien du réacteur AP 1000 conçu par Westinghouse.

La quatrième génération, dont les premières applications industrielles pourraient intervenir à l’horizon 2040, est en cours d’étude.

1) Les réacteurs à eau sous pression (REP)

Circuit primaire : pour extraire la chaleur

L’uranium, légèrement « enrichi » dans sa variété – ou « isotope »- 235, est conditionné sous forme de petites pastilles. Celles-ci sont empilées dans des gaines métalliques étanches réunies en assemblages. Placés dans une cuve en acier remplie d’eau, ces assemblages forment le cœur du réacteur. Ils sont le siège de la réaction en chaîne, qui les porte à haute température. L’eau de la cuve s’échauffe à leur contact (plus de 300°C). Elle est maintenue sous pression, ce qui l’empêche de bouillir, et circule dans un circuit fermé appelé circuit primaire.

Circuit secondaire : pour produire la vapeur

L’eau du circuit primaire transmet sa chaleur à l’eau circulant dans un autre circuit fermé : le circuit secondaire. Cet échange de chaleur s’effectue par l’intermédiaire d’un générateur de vapeur. Au contact des tubes parcourus par l’eau du circuit primaire, l’eau du circuit secondaire s’échauffe à son tour et se transforme en vapeur. Cette vapeur fait tourner la turbine entraînant l’alternateur qui produit l’électricité. Après son passage dans la turbine, la vapeur est refroidie, retransformée en eau et renvoyée vers le générateur de vapeur pour un nouveau cycle.

Circuit de refroidissement : pour condenser la vapeur et évacuer la chaleur

Pour que le système fonctionne en continu, il faut assurer son refroidissement. C’est le but d’un troisième circuit indépendant des deux autres, le circuit de refroidissement. Sa fonction est de condenser la vapeur sortant de la turbine. Pour cela est aménagé un condenseur, appareil formé de milliers de tubes dans lesquels circule de l’eau froide prélevée à une source extérieure : rivière ou mer. Au contact de ces tubes, la vapeur se condense pour se transformer en eau. Quant à l’eau du condenseur, elle est rejetée, légèrement échauffée, à la source d’où elle provient. Si le débit de la rivière est trop faible, ou si l’on veut limiter son échauffement, on utilise des tours de refroidissement, ou aéroréfrigérants. L’eau échauffée provenant du condenseur, répartie à la base de la tour, est refroidie par le courant d’air qui monte dans la tour. L’essentiel de cette eau retourne vers le condenseur, une petite partie s’évapore dans l’atmosphère, ce qui provoque ces panaches blancs caractéristiques des centrales nucléaires.

2) Le réacteur européen à eau pressurisée EPR

Ce projet de nouveau réacteur franco-allemand ne présente pas de rupture technologique majeure par rapport au REP, il apporte juste des éléments de progrès significatifs. Il doit répondre aux objectifs de sûreté fixés par l’Autorité de sûreté française, la DSIN, et l’Autorité de sûreté allemande, avec leurs appuis techniques l’IPSN (Institut de Protection et de Sûreté Nucléaire) et la GRS, son homologue allemand. Cette adaptation de règles de sûreté communes encourage l’émergence de références internationales. Le projet, pour pouvoir répondre à un cahier des charges élargi à plusieurs électriciens européens, intègre trois ambitions :

respecter les objectifs de sûreté définis de façon harmonisée au niveau international. La sûreté doit être améliorée de façon significative dès la conception, notamment par la réduction d’un facteur 10 de la probabilité de fusion du cœur, par la limitation des conséquences radiologiques des accidents, et la simplification de l’exploitation

maintenir la compétitivité, notamment en augmentant la disponibilité et la durée de vie des principaux composants

réduire les rejets et déchets produits en fonctionnement normal, et rechercher une forte capacité à recycler du plutonium.

Un peu plus puissant (1600 MW) que les réacteurs de la deuxième génération (de 900 à 1450 MW) l’EPR bénéficiera aussi des dernières avancées de la recherche dans le domaine de la sûreté réduisant le risque qu’un accident grave ne survienne. Notamment parce que ses systèmes de sécurité seront renforcés et que l’EPR disposera d’un gigantesque «cendrier». Ce nouveau dispositif placé sous le cœur du réacteur, refroidi par une réserve d’eau indépendante, empêchera ainsi le corium (mélange de combustible et de matériaux), formé lors d’une hypothétique fusion accidentelle du cœur d’un réacteur nucléaire, de s’échapper.

L’EPR possédera également un meilleur rendement de conversion de la chaleur en électricité. Il sera plus économique avec un gain de l’ordre de 10 % sur le prix du kWh : l’utilisation d’un «cœur 100 % MOX» permettra d’extraire plus d’énergie d’une même quantité de matières et de recycler le plutonium.

3) Le réacteur expérimental de fusion thermonucléaire ITER

Le mélange combustible deutérium-tritium est injecté  dans une chambre où, grâce à un système de confinement, il passe à l’état de plasma et brûle. Ce faisant, le réacteur produit des cendres (les atomes d’hélium) et de l’énergie sous forme de particules rapides ou de rayonnement. L’énergie produite sous forme de particules et de rayonnement s’absorbe dans un composant particulier, la « première paroi », qui, comme son nom l’indique, est le premier élément matériel rencontré au-delà du plasma. L’énergie qui apparaît sous forme d’énergie cinétique des neutrons est, quant à elle, convertie en chaleur dans la couverture tritigène, élément au-delà de la première paroi, mais néanmoins à l’intérieur de la chambre à vide. La chambre à vide est le composant qui clôt l’espace où a lieu la réaction de fusion. Première paroi, couverture et chambre à vide sont bien évidemment refroidies par un système d’extraction de la chaleur. La chaleur est utilisée pour produire de la vapeur et alimenter un ensemble classique turbine et alternateur producteur d’électricité.

Source : Origine : Ambassade de France en Allemagne – 4 pages – 4/11/2004

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     http://www.bulletins-electroniques.com/allemagne/rapports/SMM04_095

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