Comment fonctionne une centrale nucléaire

Term S – Physique
Chapitre 5
Comment fonctionne une centrale nucléaire ?
Avec 60% de la puissance installée, le réacteur à eau pressurisée est le plus utilisé dans le monde. Rodé et fiable, il équipe la
quasi totalité du parc nucléaire français avec 56 réacteurs en activité et 2 en construction.
Le réacteur à eau pressurisée (REP) fonctionne grâce à un combustible d'oxyde d'uranium enrichi. L'eau ordinaire lui sert à la
fois de modérateur et de caloporteur. Dans le réacteur, elle est constamment maintenue sous pression. Pour garantir la sûreté
des installations et éviter la dispersion des produits radioactifs, les installations du circuit primaire sont enfermées dans un
bâtiment étanche, le bâtiment réacteur, qui est composé d'une double enceinte de béton ou d'une seule enceinte de béton
doublée à l'intérieur d'une peau d'étanchéité en acier.
Les neutrons et les protons du noyau d'un atome sont reliés par des forces très grandes, qui ne peuvent agir qu'à une distance
limitée. Les noyaux atomiques très lourds tels que l'uranium ou le plutonium contiennent énormément de protons et doivent
parfois attirer un neutron supplémentaire pour garantir la stabilité du noyau.
Si l'un de ces atomes très lourds (par exemple l'uranium-235 ou le plutonium-239) aspire un neutron, il récupère par la même
occasion de l'énergie. Cette énergie le transforme dans un état très instable (U-236 ou Pu-240) : il se divise très rapidement en
libérant deux ou trois neutrons libres, qui sont disponibles pour d'autres fissions de noyau : c'est le principe de la réaction en
chaîne.
1
0
n  235
92U 
94
38
1
Sr  139
54 Xe  3 0 n
Les nouveaux noyaux issus de la division, appelés produits de fission, possèdent une énergie de liaison plus importante par
nucléon que les anciens atomes lourds. La différence d'énergie de liaison est partiellement transformée en énergie cinétique
des produits de fission. Ceux-ci donnent cette énergie sous forme de chaleur par des chocs sur le matériau environnant. Cette
chaleur est évacuée à l'aide d'un réfrigérant et peut par exemple être utilisée pour le chauffage ou la production d'électricité.
Plus un neutron est lent, plus la probabilité qu'il soit capté par un noyau 235U est grande. C'est pourquoi l'on ralentit les
neutrons rapides provenant de la réaction de fission par un modérateur. Un modérateur est un matériau qui contient de
nombreux noyaux atomiques très légers, presque aussi légers qu'un neutron. Les neutrons sont alors ralentis par les chocs sur
ces noyaux atomiques légers jusqu'à la vitesse de ces noyaux du modérateur. Selon la théorie du mouvement (brownien)
d’agitation des molécules, la vitesse des noyaux du modérateur est définie par sa température. On parle donc de
thermalisation des neutrons plutôt que de ralentissement des neutrons.
Un réacteur qui utilise des neutrons thermiques pour réaliser la fission nucléaire est dénommé réacteur thermique. Au
contraire, un réacteur rapide utilise pour la fission des neutrons qui n'ont pas été ralentis (d'où la dénomination réacteur à
neutrons rapides).
Le pilotage d'un réacteur nucléaire repose sur le maintien d'une masse critique de combustible nucléaire au cœur du réacteur.
Pour permettre un meilleur rendement du réacteur, on effectue une thermalisation des neutrons à l'aide d'un modérateur. Et
pour évacuer l'énergie thermique produite par la réaction en chaîne, on utilise un caloporteur. Dans le cas d'un réacteur REP,
l'eau sert à la fois de caloporteur et de modérateur.
Pour que la réaction en chaîne ne s'amplifie pas indéfiniment, elle doit être pilotée. Pour cela, on utilise un matériau absorbant
les neutrons. Par exemple, des alliages de cadmium (Cd), de gadolinium (Gd) et de bore (B). À partir de compositions
chimiques de ces éléments, on fabrique par exemple les barres de contrôle du réacteur nucléaire. Le réacteur peut être
contrôlé par l'introduction ou le retrait de ces barres dans le cœur. La réaction en chaîne est entretenue selon le principe
suivant : en entourant le matériau fissile d'un réflecteur de neutrons, on favorise la fission, ce qui diminue la quantité
nécessaire au déclenchement de la réaction ; en revanche, la présence d'un absorbeur de neutrons a l'effet contraire.