Comment fonctionne une centrale nucléaire

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

La fission des noyaux atomiques libère de l’énergie. Cette énergie chauffe de l’eau sous haute pression qui se transforme en vapeur très chaude, sur le principe de la cocotte-minute. La vapeur est dirigée vers les turbines qui commencent à tourner et entraînent à leur tour l’alternateur auquel elles sont reliées. A ce niveau, on commence à produire du courant qui sera acheminé vers le consommateur par le réseau de distribution.

On produit ici l’électricité nécessaire à un million de personnes: les turbines à vapeur (en bleu) et l’alternateur (en rouge) de la centrale nucléaire de Leibstadt.

Partie nucléaire et partie conventionnelle

Une centrale nucléaire se compose, pour l’essentiel, de deux parties. Dans la partie nucléaire, la fission nucléaire produit de la chaleur. Dans la partie conventionnelle, cette chaleur est transformée en courant électrique. La partie conventionnelle est très similaire à celle que l’on trouve dans les centrales à charbon, à gaz et géothermiques. La tour de refroidissement que l’on voit de loin relève aussi de la partie conventionnelle. Cette tour n’est pas une particularité des centrales nucléaires car elle équipe également d’autres centrales thermiques.

Elles ne sont pas l'apanage des centrales nucléaires: les tours de réfrigération, visibles de loin, servent au refroidissement du circuit d'eau dans la partie conventionnelle. Le nuage qui en sort est exclusivement composé de vapeur d'eau.

Production de chaleur dans la partie nucléaire

Logé dans la partie nucléaire, le réacteur nucléaire est le cœur de la centrale. Il se compose d’un caisson sous pression aux épaisses parois d’acier et contient les éléments de combustibles avec le combustible nucléaire. C’est ici que s’effectue la fission nucléaire qui produit la chaleur. Les éléments de combustibles se composent de faisceaux de crayons combustibles très fins de plusieurs mètres de longueur. Le combustible nucléaire est enfermé hermétiquement dans ces enveloppes tubulaires en alliage métallique spécial sous la forme de petites pastilles d’uranium, également appelées «pellets».

L’uranium sous la forme sous laquelle il est utilisé comme combustible nucléaire dans une centrale. Deux de ces pastilles d’oxyde d’uranium permettent de produire la quantité de courant nécessaire à un ménage de quatre personnes pendant un an.
Un technicien monte un assemblage combustible. Les pastilles d’uranium sont confinées dans chacun des crayons combustibles.

Il existe plusieurs types de réacteurs de par le monde. La plupart d’entre eux sont à eau légère. Les cinq centrales nucléaires suisses – Beznau-1 et 2, MühlebergGösgen et Leibstadt – sont équipées de réacteurs à eau légère.

Dans les réacteurs à eau légère, l’eau a deux fonctions. D’une part, elle sert d’agent de refroidissement et achemine l’énergie du réacteur vers les turbines à vapeur. D’autre part, elle freine les neutrons libérés lors de la fission nucléaire (constituants du noyau atomique de charge électrique neutre) et joue le rôle de modérateur. Ce n’est qu’en étant freinés que les neutrons peuvent déclencher d’autres fissions nucléaires (réaction en chaîne). S’il n’y a pas d’eau dans le réacteur à eau légère, les neutrons ne sont plus freinés et la réaction en chaîne s’arrête. Il existe deux variantes de réacteurs à eau légère: les réacteurs à eau sous pression et les réacteurs à eau bouillante. En Suisse, les deux variantes coexistent.

Fonctionnement d'une centrale nucléaire à réacteur à eau sous pression

Dans les réacteurs à eau sous pression (Beznau-1, Beznau-2 et Gösgen), l’eau contenue dans le réacteur est chauffée sous haute pression, mais ne bout pas. L’eau chauffée est acheminée vers des générateurs de vapeur à l’extérieur du réacteur, où elle transmet sa chaleur à un autre circuit d’eau. Dans le deuxième circuit, l’eau chauffe et se transforme en vapeur. Cette vapeur actionne les turbines de la partie conventionnelle de la centrale nucléaire.


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Fonctionnement d'une centrale nucléaire à réacteur à eau bouillante

Dans les réacteurs à eau bouillante (Leibstadt et Mühleberg), la vapeur est produite dans le caisson sous pression du réacteur et acheminée directement vers les turbines. Contrairement à ce qui se produit dans les réacteurs à eau sous pression, la vapeur qui parvient aux turbines contient des traces de substances radioactives à vie courte. Lorsque le réacteur est arrêté, la radioactivité se désintègre en quelques minutes.


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Production d'électricité dans la partie conventionnelle

Les turbines à vapeur et les alternateurs se trouvent dans la salle des machines de la partie conventionnelle. La vapeur chaude provenant du réacteur entraîne les turbines qui, à leur tour, entraînent l’alternateur qui transforme cette énergie cinétique en électricité – comme sur un vélo où la dynamo produit le courant pour l’éclairage.

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

Refroidissement de la turbine à vapeur

Pour que les turbines à vapeur puissent transformer la chaleur de la vapeur acheminée en un mouvement mécanique, les différences de température et de pression en amont et en aval de la turbine doivent être aussi élevées que possible. A cette fin, un deuxième circuit d’eau refroidit la vapeur qui a traversé la turbine jusqu’à ce qu’elle se condense en eau liquide. Une pompe ramène cette eau du condensateur au générateur de vapeur (réacteur à eau sous pression) ou au caisson sous pression du réacteur (réacteur à eau bouillante) où elle est à nouveau chauffée et réacheminée jusqu’aux turbines sous forme de vapeur d’eau.

Refroidissement direct par l'eau du fleuve

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. Elle sera rejetée dans la rivière à une température légèrement plus élevée. Des valeurs limites contraignantes protègent l’Aar d’un échauffement excessif. Ce circuit d’eau est totalement séparé du réacteur et ne contient aucune substance radioactive.

Refroidissement direct par l'eau de l'Aar: centrale nucléaire de Beznau.

Refroidissement dans une tour de refroidissement

Dans les centrales nucléaires de Gösgen et de Leibstadt, le condensateur est refroidi par de l’eau qui fait l’aller et retour entre la centrale et la tour de refroidissement. L’eau chauffée dans la centrale est nébulisée dans la tour de refroidissement. Les gouttelettes d’eau qui retombent dissipent leur chaleur dans le courant d’air de la tour de refroidissement (effet de cheminée). Une petite partie de l’eau s’évapore: c’est le panache de vapeur que l’on voit sortir de la tour. Ce nuage se compose exclusivement de gouttelettes d’eau totalement inoffensives pour l’environnement. L’eau qui s’est évaporée est remplacée par de l’eau de l’Aar (Gösgen) et du Rhin (Leibstadt). Ce circuit aussi est complètement séparé du réacteur et ne contient aucune substance radioactive.

Refroidissement dans une tour de réfrigération: les centrales nucléaires de Leibstadt.

Cette tour de refroidissement dont le panache de vapeur est visible de loin est une tour de refroidissement par voie humide à circulation naturelle. L’air chaud monte dans la tour. La grande hauteur de 140 mètres et plus génère un fort courant d’air du bas vers le haut, comme dans une cheminée: l’air chaud s’échappe par le haut, tandis que de l’air extérieur, plus froid, entre par le bas. Cet air froid refroidit les gouttelettes d’eau qui tombent, sans aucun apport d’énergie supplémentaire.

On trouve également des tours de refroidissement hydrides. Nettement moins hautes qu’une tour de refroidissement par voie humide à circulation naturelle, elles ne produisent quasiment aucun panache de vapeur, ce qui diminue leur impact sur le paysage. En revanche, une tour de refroidissement hybride a besoin de ventilateurs pour créer un courant d’air suffisant. Une tour hybride de ce type équipe la centrale nucléaire allemande de Neckarwestheim. Elle consomme environ 1,4% du courant produit.

Moins haute et produisant moins de vapeur: la tour de refroidissement hybride du bloc II de la centrale nucléaire de Neckarwestheim. (Photo: EnBW/Bernd Franck)

Le rendement n'est pas l'étalon de toute chose

Une centrale nucléaire de la génération actuelle transforme un tiers de la chaleur dégagée par la fission nucléaire en électricité. En revanche, une centrale à cycle combiné moderne affiche un taux d’efficacité pouvant atteindre les 58%. La raison à cette différence est physique. Car les centrales nucléaires fonctionnent à environ 300 degrés et les centrales à cycle combiné à plus de 1200 degrés.

Des lois physiques (facteur de Carnot) limitent le rendement maximum. Ce qui veut dire que plus la température augmente, plus le rendement maximum augmente. Les futures centrales nucléaires de quatrième génération, comme le réacteur à très haute température, pourraient atteindre un rendement de 70% grâce à leur température de processus élevée.

Ce qui importe pourtant, ce n’est pas le rendement de la turbine, mais la quantité d’énergie qu’il faut déployer, de l’extraction de la matière première à l’élimination des déchets, pour obtenir un kilowattheure d’électricité. Dans le domaine de l’énergie nucléaire, le rapport entre input d’énergie total et output d’énergie total est très faible.
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Une utilité supplémentaire: la chaleur à distance, respectueuse de l'environnement

Le rendement des centrales nucléaires peut être amélioré en utilisant systématiquement la chaleur résiduelle. La centrale nucléaire de Beznau alimente en chaleur plus de 2500 bâtiments de type industriel, artisanal, commercial, bâtiments publics et ménages privés via le réseau de chaleur à distance Refuna. Environ 4000 foyers, soit environ 15 000 personnes, profitent de cet approvisionnement en chaleur rationnel, économique, écologique et qui ne produit pas de CO2.

La centrale nucléaire de Beznau prélève la vapeur nécessaire au système de chaleur à distance dans le circuit de vapeur. Comme celle-ci n’est alors plus disponible pour la production de courant, l’insuffisance électrique est de 6,2 à 9 MW. En revanche, le rendement total de la centrale (puissance de l’alternateur et puissance thermique par rapport à la puissance thermique du réacteur) monte à 37%.

La centrale nucléaire de Gösgen fournit de la chaleur industrielle à deux papeteries. Les 20 000 tonnes de fuel ainsi économisées chaque année ont évité de rejeter chaque année 60 000 tonnes de CO2 dans l’atmosphère. Un million de tonnes de CO2 ont ainsi été économisées au total depuis le début.