DES ECHANGES D'ENERGIE IMPORTANTS
Une centrale nucléaire, comme vu précédemment, maintient une réaction en chaîne (la fission). Mais pourquoi utilisons-nous cette réaction physique très dangereuse et instable ?
Pour comprendre, il faut regarder, en détail, comment une centrale permet de produire de l'électricité à partir de simples échanges d'énergie.
Composition d'une centrale nucléaire
Dans l'introduction, nous avons évoqué les trois circuits, tous nécessaires à la production d'électricité, qui composent les centrales à REP : les circuits primaire, secondaire et tertiaire.
On différencie ces trois parties dans une centrale car elles possèdent chacune leur circuit d'eau propre pour éviter les contaminations et fuites radioactives, ainsi qu'un "rôle" et des éléments spécifiques :
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Le circuit primaire est le début de la chaine et le cœur même de la centrale, dans lequel se produit la fission nucléaire. Il se trouve sous une enceinte de confinement en béton armé et contient :
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Le réacteur nucléaire ; il se trouve dans une cuve et est accompagné de barres de contrôle (ou grappes de commande)
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Un pressuriseur (particularité des centrales à REP)
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Un générateur de vapeur
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Des pompes, chargée de faire circuler l'eau
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Le circuit secondaire est la partie productrice d'électricité, il contient :
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Une turbine
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Un alternateur
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Un condenseur
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Des pompes
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Le circuit tertiaire (ou de refroidissement) se charge de refroidir l'eau du circuit secondaire. Il peut être différent d'une centrale à l'autre.
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Dans un premier cas, si le cours d'eau (fleuve, canal, mer...) juxtaposé à la centrale possède un débit assez fort, le circuit sera alors ouvert ; cela signifie que l'eau de ce cours d'eau sera prélevée en quantité importante (environ 50m3 par seconde) pour refroidir directement l'eau du condenseur, puis elle sera rejetée légèrement plus chaude qu'à son arrivée.
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Dans un deuxième cas, si le cours d'eau juxtaposé à la centrale possède un débit faible, le circuit sera alors fermé ; cela signifie que l’eau du condenseur est refroidie par des courants d'air importants dans des tours aéroréfrigérantes (ou tours de refroidissement). Néanmoins, toute l'eau ne sera pas refroidie, c'est pourquoi on observe de grande quantité de vapeur d'eau sortir de ces tours. L'eau du cours d'eau est alors prélevée à un débit faible (2 m3 par seconde environ) pour compenser ces pertes.
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Chacun des trois circuits possèdent de la tuyauterie pour transporter de l'eau légère, de formule H2O.
Dans le cas du circuit primaire, elle va servir à véhiculer de la chaleur, on peut alors la qualifier de fluide caloporteur. Mais son rôle ne s'arrête pas là et dans ce même circuit elle a également le rôle de modérateur car elle a la capacité de ralentir les neutrons de la fission.
Fonctionnement global
Chaque circuit possède donc son propre rôle. Néanmoins, ces trois circuits sont reliés et ne pourraient exister l'un sans l'autre. En effet, de nombreux échanges de chaleur ont lieu entre eux.
Tout commence dans le circuit primaire (ce que l'on devine à son nom).
La fission en chaîne se produit dans le cœur du réacteur, ce qui dégage une intense chaleur de 650 degrés Celsius environ (température des combustibles).
L'eau du circuit primaire est en contact immédiat avec cette énergie thermique dégagée et est très vite chauffée à une température de 300 degrés environ (275 à 320). Néanmoins, comme le montre le graphique ci-contre que l'on appelle diagramme de phase de l'eau, à une telle température l'eau est normalement sous l'état gazeux.
Mais, particularité des centrales à Réacteur à Eau Pressurisée, il y a un pressuriseur dans le circuit primaire qui permet de conserver une pression élevée (de l'ordre de 155 bars, ce qui équivaut à 155 fois la pression de notre atmosphère) et donc de maintenir l'eau à l'état liquide. Cela permet, contrairement aux centrales à Réacteur à Eau Bouillante, de garder l'eau radioactive dans l'enceinte de confinement et ainsi assurer une sécurité plus élevée.
DIagramme de Phase de l'eau
Cette eau liquide va circuler dans un générateur de vapeur (autre particularité des REP) grâce à une pompe que l'on appelle pompe primaire.
Le générateur de vapeur est un échangeur haut de plus de 20m qui va permettre la transmission de la chaleur de l’eau du circuit primaire à l’eau du circuit secondaire.
Dedans, l'eau du circuit secondaire est en contact avec des milliers de petits tuyaux en "U" dans lesquels passe l'eau très chaude du circuit primaire. Elle va alors entrer en ébullition et passer de l'état liquide à l'état gazeux en se transformant en vapeur d'eau avec une température d'environ 270 degrés Celsius, car le circuit secondaire est maintenu à une pression bien moins élevée (70 atmosphères) ce qui permet à l'eau de se transformer en vapeur à des températures plus faibles.
L'énergie thermique de l'eau du circuit primaire est donc transférée à l'eau du circuit secondaire grâce au générateur de vapeur.
Schéma en 3D d'un générateur de vapeur
NB: Dans l'enceinte de confinement, il y a ce qu'on appelle des boucles qui ne sont pas représentées sur les schémas habituels.
Le nombre de boucles par réacteur peut varier d'une centrale à une autre, il y en a généralement 2 à 4 qui sont regroupées autours du réacteur, de ses barres de contrôle et du pressuriseur.
Une boucle est donc composée d'un générateur de vapeur et d'une pompe primaire.
Modélisation 3D d'un réacteur à 4 boucles
La centrale de Fessenheim compte 3 boucles dans chacun de ses 2 réacteurs, elle en possède donc 6 en tout.
Schéma d'un réacteur à 3 boucles coustruit par Framatome qui est l'un des plus grands constructeurs nucléaires au monde
L'eau du circuit secondaire transformée en vapeur va se diriger vers une turbine. L'eau a alors acquis une énergie cinétique (ou mécanique) qu'elle transmet à la turbine.
Celle-ci entraine à son tour un alternateur qui va convertir l'énergie mécanique en énergie électrique. Nous verrons dans la deuxième partie les causes de cette transformation.
L'eau du circuit secondaire, après être passée dans la turbine, a besoin d'être refroidie pour être à nouveau réchauffée et ainsi continuer le cycle.
Pour y parvenir, on utilise un condenseur.
Un condenseur est un appareil qui se charge de transformer de la vapeur en eau liquide (condensation) grâce à la circulation d'un fluide réfrigérant.
Celui-ci passe à travers des milliers de petits tuyaux qui seront en contact avec la vapeur d'eau du circuit secondaire à l'intérieur même du condenseur.
L'effet est quasi immédiat : la vapeur se liquéfie après avoir vu sa température chuter. L'eau liquide est ensuite renvoyée dans le générateur de vapeur par une pompe.
Le fluide réfrigérant, lui, fait partie de circuit de refroidissement. Il est soit maintenu à température ambiante par les tours aéroréfrigérantes, soit directement puisé dans un cours d'eau.
Tours aéroréfrigérantes avec de la vapeur d'eau sortant de l'une d'elles
Voici un schéma récapitulatif montrant les différents échanges et transformations d'énergie qui ont lieu dans une centrale nucléaire :
Les pertes d'énergie sont ici représentées en rouge. Il s'agit de pertes d'énergie thermique par affaiblissement et par échauffement.
Lorsqu'un corps est maintenu à une température plus élevée que celle de son environnement, comme c'est le cas ici du réacteur nucléaire chauffé perpétuellement par la fission et de la vapeur d'eau chauffée par le réacteur, de l'énergie thermique est immanquablement relâchée car ce corps se trouve dans un perpétuel cycle d'échauffement et de refroidissement. Ce sont les pertes par affaiblissement.
Lorsqu'une une énergie mécanique est créée, comme ici celle des turbines sur l'alternateur, des frottements entre les différents acteurs de cette action mécanique ont lieu. Ces frottements échauffent les parties concernées entres elles. Ce sont les pertes par échauffement.
Continuer vers la deuxième partie...