Le fonctionnement d'un réacteur nucléaire

Actualisé le 18.10.2023

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Lycée

Sciences et technologies de l’industrie et du développement durable

Le est « l’outil » qui permet de collecter et transformer les grandes quantités d’énergie dégagées par les processus de . Sa fonction est d’une part de maîtriser cette fission et d’autre part de convertir l’énergie recueillie sous forme de . Comme dans une centrale thermique classique (gaz, charbon, fioul), la vapeur d’eau fait tourner une turbine couplée à un alternateur qui produit de l’ .

© Une centrale nucléaire récupère la chaleur issue de la "fission" pour produire de la vapeur. Celle-ci permet ensuite d'activer la turbine reliée à un alternateur lequel fabrique de l’électricité. AFP PHOTO / JEAN-CHRISTOPHE VERHAEGEN

Comment ça marche ?

La fission nucléaire est la désintégration de noyaux lourds, comme ceux de l’ , après une collision avec un . D’autres neutrons sont libérés et provoquent à leur tour de nouvelles fissions.¹

Les neutrons étant éjectés à très grande vitesse, ils risquent de rebondir sur les noyaux sans les casser. Il faut donc les ralentir. D’autre part, pour éviter un emballement, une non contrôlée, il faut éviter la multiplication de ces neutrons et donc absorber une partie d’entre eux, environ 2 sur 3.

Dans les types de réacteurs les plus courants (REP ou REB – voir ci-dessous), les combustibles nucléaires sont placés dans une cuve en acier remplie d’eau. C’est cette eau qui va jouer le rôle de ralentisseur de neutrons, grâce à ses atomes d’ . Le graphite est un autre modérateur de vitesse, mais il est progressivement abandonné.

Les « crayons »

Pour absorber les neutrons en excès, on introduit dans le milieu aqueux des éléments neutrophages, en l’occurrence des barres composées de . Les pastilles de combustible nucléaire sont empilées dans des « crayons » faits de gaines de zirconium. Ils sont rassemblés dans un assemblage à base carrée, avec des tubes vides positionnés entre eux. C’est dans ces tubes que vont glisser les barres de bore. En les faisant légèrement monter ou descendre, on réduit ou on augmente l’absorption des neutrons. En cas d’incident, les barres de pilotage tombent automatiquement et stoppent le réacteur. Toutefois, le cœur du réacteur reste très chaud pendant des mois et il faut continuer à le refroidir. C’est cette absence de refroidissement qui a conduit à l’accident de Fukushima.

Les circuits d’eau

L’eau de la cuve, qui a été fortement chauffée par les réactions nucléaires, circule dans un circuit fermé, le . Cette eau chaude rentre en contact, dans un « », avec les tuyaux d’un autre circuit fermé, le . À l’intérieur de ces tuyaux, l’eau se vaporise. C’est cette vapeur qui va entraîner la turbine.

Pour que le système fonctionne en continu, il faut assurer le refroidissement de l’eau du circuit secondaire avant que celle-ci ne retourne dans le générateur de vapeur. Dans ce but, un troisième circuit est mis en place. De l’eau froide est prélevée dans l’environnement (rivière, mer) et circule dans un condenseur dont les multiples tuyaux permettront le retour de la vapeur du circuit secondaire à un état liquide. L’eau du condenseur, qui n’a pas été en contact avec la , est ensuite rejetée dans l’environnement.

Les nuages blancs qui s’élèvent au-dessus des centrales nucléaires sont constitués de vapeur d’eau.

Les tours de refroidissement

Si les débits des sources d’eau situées autour de la centrale ne sont pas suffisants, des tours de refroidissement permettent d’évacuer la chaleur vers le milieu extérieur. L’eau chaude provenant du condenseur est alors refroidie par le courant d’air qui monte dans la tour, comme l’appel d’air d’une gigantesque cheminée. Ainsi, les nuages blancs qui s’élèvent au-dessus des centrales sont constitués de vapeur d’eau.

Les six filières de réacteurs nucléaires

Les réacteurs se distinguent selon le combustible (uranium naturel plus ou moins enrichi, MOX ou thorium), le modérateur (qui sert à contrôler la réaction en chaîne : eau ou graphite), et le (qui transporte la chaleur produite vers la turbine : eau, gaz, sodium ou sel fondu)².

Les Réacteurs à Eau Pressurisée (REP) représentent l’essentiel des réacteurs en exploitation ou en projet dans le monde. Les réacteurs français sont des REP. Le combustible est l’uranium enrichi et/ou le MOX. L’eau est à la fois modérateur et caloporteur².
Les Réacteurs à Eau Bouillante (REB) représentent le quart des réacteurs en exploitation dans le monde. Ils fonctionnent avec de l’uranium enrichi, avec l’eau comme caloporteur et modérateur. Contrairement au REP, il n’y a pas de circuit d’eau secondaire. L’eau est vaporisée dans le cœur du réacteur et passe directement dans la turbine. L’enceinte de confinement empêche la dissémination de produits radioactifs. La plupart des REB sont aux Etats-Unis, au Japon, en Suède, en Finlande, en Russie et en Suisse.

Trois autres types sont peu répandus :

Les Réacteurs à Caloporteur Gaz, à modérateur graphite (RCG). Il y en a une quinzaine, tous au Royaume-Uni. Les RCG sont généralement de petite taille, entre 100 à 300 MW.
Les Réacteurs à eau légère et modérateur graphite (RBMK). Il y en a une quinzaine, développés par l’ex-Union soviétique.
Les Réacteurs à eau lourde (qui est une combinaison d’oxygène et d’un de l’hydrogène, le deuterium). Il y a moins de 50 unités dans le monde, essentiellement au Canada et en Inde.

Enfin les Réacteurs à Neutrons Rapides (RNR), de 4^e génération, qui permettraient d’exploiter l’intégralité du combustible nucléaire. Les neutrons ne sont pas ralentis, ils sont encore à l’état de prototypes. (Voir l’article "Les réacteurs nucléaires de demain").