Principe et constitution d’une centrale nucléaire

Origine de l'énergie nucléaire

Elle est due aux forces de liaisons entre les éléments du noyau de l’atome. La découverte de l’énergie nucléaire est une conséquence de la théorie de la relativité restreinte d’Einstein (1905). Einstein réalise une unification entre deux concepts auparavant considérés comme fortement éloignés l’un de l’autre : la masse et l’énergie.

Il établit la formule de l’énergie au repos d’un corps de masse m : E₀ = m.c² où c est la célérité de la lumière dans le vide (c = 3,00.108 m/s).

Cette relation laisse entrevoir un fait révolutionnaire à l’époque : il y a équivalence entre masse et énergie, autrement dit, si un système voit sa masse diminuer, il acquiert de l’énergie. Mais comme le coefficient de transformation entre masse et énergie et très fortement favorable à l’énergie (c² = 9.10¹⁶ J/kg !), une très faible diminution de la masse entraîne l’apparition d’une énergie colossale.

Cette énergie colossale se disperse sous forme thermique (récupérée) et sous forme de rayonnements.

Il existe deux types d’application de la formule d’Einstein :

La fission :

Cela consiste à casser un noyau de grosse taille (généralement de l’Uranium) en noyaux plus léger. La somme des masses des éléments obtenue par fission est inférieure à la masse du noyau lourd de départ : il y a libération d’énergie. C’est ce type de réaction nucléaire qui est utilisée dans les centrales nucléaires ou la bombe A.

Le nucléaire en France

Bien que présent partout dans l'écorce terrestre (environ 3g/tonne)

• Par an 8 000 à 9 000 tonnes d’uranium naturel ( 99,28 % \( U_238 \) et 0.71% \( U_235 \)) pour un total de 500 million à 1 milliard d'euros sont importées par Orano (ex Areva) en provenance du Niger, du Canada, de l'Australie et du Kazakhstan.(Le coût de l'uranium naturel constitue in fine seulement 5% du coût de production du kWh nucléaire)
• Areva enrichit cet uranium naturel en \( U_235 \), seul isotope fissile, au taux d'environ 3 à 5% .

• EDF achète le combustible pour ses 19 sites ou centrales, chacune dotée de 2 à 4 réacteurs d'environ 1000 MW
• L'ensemble des 58 réacteurs sont des REP (Réacteur à Eau Pressurisée) dits de 2eme génération : et fournissent une puissance totale de 61,4 GW et ont fournit en 2019 380 TWh soit un facteur de charge de 70%.
• l'allongement de leur exploitation initialement prévue à 40 ans passe par une autorisation d'exploitation tous les 10 ans effectuée par l'ASN (Autorité de Sûreté Nucléaire)

• Le dernier réacteur en construction à Flamanville est un EPR de 3eme génération (Evolutionary Power Reactor) optimisé en sûreté, en rendement (37%) et en durée de vie (60 ans) pour une puissance de 1650 MW. (Coût initial 3.4 milliards d'euros -> 12,4 milliards)
• La recherche sur des réacteurs de 4eme génération s'est faite autour du concept de réacteur à neutrons rapides exploitants le plutonium 239 et le multi recyclage du plutonium augmentant ainsi l'exploitation des ressources d'uranium et réduisant ainsi les déchets et leur durée de vie.

Les technologie diffèrent par la type de refroidissement:

• au gaz (GFR: Gas-cooled Fast Reactor)
• au Sodium (SFR: Sodium- cooled Fast Reactor)
• au plomb (LFR: Lead-cooled fast Reactor)

En France les projets

• Rapsodie et Phénix
• puis Superphénix
• puis le démonstrateur Astrid (abandonné en 2019)
• le programme de recherche GFR : Allegro

Enjeux de ces projets: Environ 250 000 tonnes d’uranium appauvri sont actuellement entreposées sur plusieurs sites en France. Avec les réacteurs de 4e génération, les stocks d’uranium appauvri disponibles, en combinaison avec les combustibles usés contenant du plutonium, permettront, à partir du siècle prochain, de s’affranchir totalement des mines d’uranium, et ce pendant plusieurs millénaires : on valorisera, dès lors, les 99% de l’uranium extrait mis actuellement de côté.

sources: https://www.connaissancedesenergies.org

La fusion :

Cela consiste à transformer deux noyaux légers en un noyau plus lourd (généralement de l’Hydrogène sous forme de Deutérium 2H et Tritium 3H en Hélium). La masse de l’élément obtenue est inférieur à la somme des masses des éléments de départ : il y a libération d’énergie. C’est ce type de réaction nucléaire qui intervient dans les étoiles comme le Soleil et dans la bombe H. Notre technologie actuelle ne nous permet pas de reproduire ce type de réaction de façon contrôlée, des recherches actives sont néanmoins menées en vue d’atteindre ce but (projet ITER à Cadarache).

http://www.irsn.fr

Afin de contrôler la réaction de fusion, un tokamak (une machine qui permet le confinement du plasma) a été crée. En son sein, le plasma (matière constitué de particules chargées : ions et électrons) est maintenu dans un vide profond. Le combustible (les deux isotopes de l'hydrogène, ci schéma ci-dessus) est chauffé à des températures supérieures à 150 millions de degrés Celsius.

Fonctionnement d'une centrale

Comment fonctionne une centrale nucléaire ? (ENGIE Belgium) (4'07") https://youtu.be/pFgTPZpjiqs?si=yIO2tErLH4m7Eqhs

C'est pas sorcier -ENERGIE NUCLEAIRE (26')

Comment une centrale nucléaire fonctionne-t-elle ? - C'est Pas Sorcier(C'est pas sorcier)(1'56") https://youtu.be/oNsVUW7m1gE?si=H4xcFtRdxWX2Otw5

Comment fonctionne une centrale nucléaire ? (Engie Belgium)(4'07") https://youtu.be/pFgTPZpjiqs?si=IoQYcIvRGHFhUEHg

https://www.youtube.com/watch?v=3alIeGA8vnA