Comment fonctionne une centrale nucléaire?

Une centrale nucléaire produit de l’électricité à partir de l’énergie dégagée par la fission d’atomes. Selon le principe de la cocotte-minute utilisée en cuisine, la centrale réchauffe de l’eau. La vapeur ainsi générée monte en pression et fait tourner une turbine qui entraîne à son tour un alternateur. A ce niveau, on commence à produire du courant qui sera acheminé vers le consommateur par le réseau de distribution.

Une centrale nucléaire produit du courant électrique à partir de chaleur. C’est donc une centrale thermique, au même titre qu’une centrale au charbon ou au gaz, à cette différence près qu’elle ne génère ni polluants ni gaz à effet de serre tels que le CO₂ lors de la production du courant.

Une centrale nucléaire se compose, pour l’essentiel, de deux parties. Dans la partie nucléaire, appelée aussi partie primaire, on produit de la chaleur au moyen de la fission nucléaire. La chaleur est transformée en courant électrique dans la partie conventionnelle, également appelée partie secondaire. La partie conventionnelle ressemble beaucoup à celle des centrales au charbon ou au gaz, ou des centrales géothermiques. Les tours de réfrigération, que l’on voit de très loin, de certaines centrales nucléaires relèvent aussi de la partie conventionnelle. Ces tours de réfrigération ne sont pas une particularité des centrales nucléaires : d’autres centrales produisant du courant à partir de la chaleur en sont également équipées.

La partie nucléaire constitue le cœur de la centrale. C’est là qu’est situé le réacteur. Celui-ci est composé d’une cuve aux épaisses parois d’acier: la cuve du réacteur sous pression. C’est elle qui contient les assemblages combustibles uranifères, à l’origine de la fission qui produit la chaleur.

Les assemblages combustibles sont composés de faisceaux de crayons combustibles, des tubes creux très fins en alliage spécial, soudés entre eux, dans lesquels est confiné le combustible nucléaire à proprement parler, sous la forme de petites pastilles d’uranium.

Il existe différents types de réacteurs de par le monde. La plupart font partie de la famille des réacteurs à eau légère. Les cinq centrales nucléaires suisses – Beznau 1, Beznau 2, Mühleberg, Gösgen et Leibstadt – sont elles aussi équipées de réacteurs à eau légère.

Dans ce type de réacteurs, les crayons combustibles sont constamment entourés d’eau ordinaire. L’eau remplit deux fonctions: d’une part elle sert de fluide de refroidissement et transporte l’énergie qui quitte le réacteur sous forme de vapeur chaude pour actionner les turbines à vapeur. D’autre part, elle freine les neutrons (constituants du noyau atomique, de charge électrique nulle) libérés lors de la fission nucléaire et joue ainsi un rôle de modérateur. Ce n’est qu’en étant freinés que les neutrons peuvent déclencher d’autres fissions nucléaires. S’il n’y a pas d’eau dans le réacteur (ou un autre modérateur), la fission nucléaire s’arrête.

La nature, elle-même, a créé des réacteurs de ce type. Des scientifiques ont découvert qu’il y a à peine deux milliards d’années, en Afrique centrale, au Gabon plus précisément, plus d’une douzaine de réacteurs nucléaires naturels avaient dégagé de l’énergie pendant des milliers d’années. Ils fonctionnaient selon le même principe que les réacteurs à eau légère actuels.

Il existe deux variantes de réacteurs à eau légère: les réacteurs à eau sous pression et les réacteurs à eau bouillante, qui, en Suisse, coexistent.

Dans les réacteurs à eau sous pression, tels que ceux qui équipent les centrales nucléaires de Beznau 1, Beznau 2 et Gösgen, l’eau contenue dans le réacteur est chauffée et maintenue sous pression, ce qui l’empêche de bouillir. L’eau ainsi chauffée est acheminée vers des générateurs de vapeur situés en dehors du réacteur, où elle transmet sa chaleur à un autre circuit d’eau dont l’eau se transforme en vapeur. La vapeur de ce deuxième circuit actionne les turbines de la partie conventionnelle de la centrale.

Dans les réacteurs à eau bouillante comme ceux des centrales nucléaires de Leibstadt et Mühleberg, la vapeur est produite dans la cuve du réacteur et acheminée directement aux turbines. Contrairement à ce qui se produit dans les réacteurs à eau sous pression, on détecte des traces de radioactivité dans la vapeur qui parvient ici aux turbines. Mais celles-ci ont une durée de demi-vie extrêmement faible et ne mettent pas le personnel en danger. Lorsque le réacteur est arrêté, la désintégration radioactive intervient en quelques minutes.

Les turbines à vapeur et les alternateurs sont installés dans le hall des machines de la partie conventionnelle. La vapeur chaude provenant du réacteur fait tourner les pales des turbines qui, à leur tour, actionnent l’alternateur qui transforme cette énergie cinétique en électricité. Ce principe est identique à celui de la dynamo d’un vélo, qui produit du courant pour alimenter les lampes du vélo.

[Grafik: Vérification des turbines à vapeur pendant l’entretien annuel. (Photo: Centrale nucléaire de Mühleberg)] VISUAL

Les turbines à vapeur transforment l’énergie (chaleur) de la vapeur acheminée en mouvement mécanique qui permet d’actionner l’alternateur. Pour que cela soit possible au niveau physique, les différences de température et de pression en amont et en aval de la turbine doivent être aussi élevées que possible. A cette fin, la vapeur qui a déjà traversé les turbines est refroidie dans un autre circuit d’eau où elle est de nouveau condensée et retransformée en eau à l’état liquide. Une pompe ramène cette eau dans le générateur de vapeur (réacteur à eau sous pression) ou dans la cuve du réacteur (réacteur à eau bouillante) où elle est échauffée et réacheminée dans les turbines sous forme de vapeur d’eau.

Dans les centrales nucléaires de Beznau 1, Beznau 2 et Mühleberg, l’eau nécessaire au refroidissement de la vapeur à la sortie des turbines est prélevée dans l’Aar, puis renvoyée dans le fleuve à une température légèrement plus élevée. Des valeurs limites impératives empêchent un échauffement excessif de la température de l’Aar. Ce circuit est totalement séparé du réacteur et ne contient aucune substance radioactive.

Dans les centrales nucléaires de Gösgen et Leibstadt, la turbine à vapeur est refroidie par de l’eau circulant dans un circuit d’aller et retour entre la centrale et la tour de réfrigération. L’eau échauffée dans la centrale est pulvérisée dans la tour de réfrigération. Les gouttelettes d’eau qui retombent ensuite dissipent leur chaleur dans l’air environnant. Ce faisant, une partie minime de cette eau s’évapore : c’est le nuage que l’on voit en haut de la tour. Ce nuage est donc exclusivement composé de vapeur d’eau, totalement inoffensive pour l’environnement. L’eau évaporée est remplacée par de l’eau de l’Aar (Gösgen) et du Rhin (Leibstadt). Ce circuit est, lui aussi, totalement séparé du réacteur et ne contient aucune substance radioactive.

Ces grandes tours de refroidissement dont le nuage de vapeur est visible de loin sont appelées tours de refroidissement par voie humide à circulation naturelle. Elles n’ont pas besoin d’énergie supplémentaire. Leur hauteur supérieure à 150 mètre génère un courant d’air naturel du bas vers le haut, comme dans une cheminée. L’air chaud s’échappe par le haut tandis que l’air environnant, plus froid, entre dans la tour par le bas.

Un autre type de tour de refroidissement doit être installé dans les centrales nucléaires qu’il est prévu de construire en Suisse: des tours de refroidissement hybrides. Elles sont nettement plus basses que les tours actuelles et ne produisent quasiment aucun nuage de vapeur, ce qui diminue leur impact sur le paysage.

Contrairement aux tours de refroidissement par voie humide à circulation naturelle, une tour de refroidissement hybride fait appel à des ventilateurs pour que le courant d’air soit suffisant. Les ventilateurs sont alimentés en électricité par la centrale. Une tour de refroidissement hybride de ce type est en fonctionnement à la centrale nucléaire allemande de Neckarwestheim et consomme environ 1,4 % du courant qu’elle produit.