Énergie nucléaire

Les centrales nucléaires

Les centrales nucléaires fonctionnent sur le même principe que les centrales thermiques, elles utilisent de la vapeur d'eau pour produire de l'électricité. Cette électricité est directement envoyée dans le réseau électrique, car elle ne peut pas être stockée. C'est sur des lignes de hautes tensions, de 400 000 volts, que notre électricité se promène à la vitesse de la lumière. Les centrales nucléaires utilisent 2, 4 ou 6 réacteurs nucléaires pour chauffer l'eau. La vapeur d'eau générée fait tourner des turbines qui à leur tour, entrainent un alternateur pour produire finalement de l'électricité. Dans ces centrales thermiques, le combustible n'est pas du charbon, du gaz ou du pétrole mais de l'uranium.
L'uranium est présent dans toute l'écorce terrestre, surtout dans les terrains granitiques et sédimentaires, à des teneurs d'environ 3 g/tonne. Il est répandu à l'intérieur du globe et entretient grâce à sa radioactivité naturelle, la chaleur du manteau terrestre, évitant un refroidissement brutal de la planète. Dans ces centrales nucléaires, l'uranium est placé dans des assemblages de tuyaux, à l'intérieur des réacteurs nucléaires, pour faire chauffer l'eau. Pour extraire l'énergie nucléaire, les ingénieurs ont utilisé une particularité du noyau d'uranium, en particulier l'uranium 235, pour casser facilement son noyau.

En effet son noyau est instable, il se désintègre à l'état naturel, c'est-à-dire que la force de cohésion n'est pas suffisante pour retenir les protons et les neutrons.
Il éjecte des particules et produit du rayonnement radioactif (radioactivité) et de l'énergie.
Lorsque qu'un neutron est envoyé sur un noyau d'uranium 235, cela le rend encore plus instable, il devient fissile et se brise en deux parties.
Cette fission libère des particules, du rayonnement et beaucoup d'énergie.
C'est cette énergie qui va servir à faire chauffer l'eau.
La fission dégage une énergie gigantesque, à titre de comparaison, 1 gramme d'uranium 235 libère autant d'énergie que la combustion de 1 000 kg de charbon, ou 69 kg de pétrole.
En 2007, dans le monde il y avait 439 réacteurs nucléaires en exploitation.
La production d'énergie électrique nucléaire, est de 2 600 TWh, fournissant environ 15% de l'électricité mondiale.

Image : Les pastilles de dioxyde d'uranium (UO2), sont empilées dans des tubes de zirconium, de 4 mètres de longueur. Les crayons (pastilles, gaines) sont bouchés aux deux extrémités et pressurisés avec de l'hélium, pour maintenir l'eau à l'état liquide. Les crayons sont ensuite réunis en fagots de 289 éléments (17x17).

Les réactions en chaines

Dans les centrales nucléaires on n'utilise pas seulement de l'uranium 235 mais aussi de l'uranium 238. Ces deux éléments contiennent 92 protons mais le nombre de neutrons est différents, 143 pour l'uranium 235 et 146 pour l'uranium 238. Les deux éléments sont instables mais l'uranium 238 est fertile, il ne se casse pas.
Dans un bloc d'uranium il y a 0,7% d'uranium 235 et 99,3% d'uranium 238. Pour entretenir la fission nucléaire, qui va se produire dans les assemblages de crayons, le bloc doit être enrichi jusqu'à contenir, 3 à 5% d'uranium 235. A l'intérieur des réacteurs, les assemblages de combustibles, qui contiennent les pastilles d'uranium sont plongés dans de l'eau. Le processus de fission démarre lorsque la source d'émission envoie ses neutrons. Les neutrons sont absorbés par les noyaux d'uranium 235 et aussitôt se fissurent et libèrent leur énergie. Les noyaux fissurés, éjectent aussi 2 ou 3 neutrons qui vont à leur tour atteindre d'autres noyaux d'uranium 235, qui vont aussi libérer de l'énergie et des neutrons, et ainsi de suite...
De crayons en crayons, les neutrons vont déclencher des réactions nucléaires en chaine et produire de plus en plus de chaleur. Cette chaleur va servir à chauffer de l'eau. Ce n'est pas l'eau contenu dans les réacteurs, qui va se transformer en vapeur, car cette eau est radioactive. L'eau qui a été chauffée par la fission, atteint, à l'intérieur du réacteur, une température de 320°C.

Elle est à l'état liquide car elle est maintenue sous pression dans un circuit totalement fermé, que l'on appelle, le circuit primaire. Cette source de chaleur fournie par les tuyaux, chauffe le générateur de vapeur qui contient de l'eau et c'est cette eau brulante qui va circuler dans le circuit secondaire. De la vapeur est envoyée dans les turbines afin qu'elles entrainent un alternateur pour fournir l'électricité. La vapeur est ensuite refroidie, à l'état liquide elle est renvoyée vers le générateur de vapeur.
L'uranium 238 qui lui est présent en plus grande quantité, ne fissionne pas, mais absorbe aussi des neutrons, il va ainsi, se transformer en plutonium 239. Cet élément, comme l'uranium 235 est instable et fissile. Le plutonium 239 va produire 1/3 de l'énergie du réacteur nucléaire. La partie du plutonium 239 qui ne fissionne pas, est récupérée pour être retraitée.
Ce mélange (plutonium, uranium), sert à fabriquer un autre combustible, le MOX (Mélange d'OXydes), utilisé dans de nombreux réacteurs. Le MOX est isolé lors du processus de traitement des combustibles irradiés.
L'uranium et le plutonium non consommés feront partie des déchets hautement radioactifs que l'on va vitrifier.

N. B. : Le MOX (Mélange d'OXydes) est un combustible nucléaire fabriqué à partir de plutonium et d'uranium appauvri. Le MOX contient du dioxyde d'uranium (UO2) et du dioxyde de plutonium (PuO2).

Image : Centrale nucléaire de Fukushima Daiichi au Japon.
En 2011, le Japon compte 54 réacteurs nucléaires répartis dans 17 centrales en activité, ce qui le place au 3e rang des producteurs d'électricité nucléaire.
L'électricité nucléaire fournit environ 35% des besoins en électricité du pays.

Image : Les centrales nucléaires dans le monde

Pourcentage d'électricité nucléaire produite

Le parc mondial de centrales nucléaires est en augmentation. La France vient en première position avec 78% de son électricité produite à partir du nucléaire. La part de l'électricité nucléaire dans la production d'électricité totale est à 14% en 2009. Le premier parc national de centrales nucléaires est celui des États-Unis (104 réacteurs nucléaires pour une puissance de 99 GW), puis de la France (59 réacteurs nucléaires pour une puissance de 63 GW).
En 2008, l'énergie nucléaire a assuré plus de 21 % de la production totale d'électricité de la zone OCDE. Au total, 17 des 30 pays membres de l'OCDE exploitent aujourd'hui cette énergie. Les pays de l'OCDE représentent aux alentours de 83 % de l'énergie nucléaire mondiale. Quatorze économies non membres de l'OCDE se partagent le reste de la production.

Image : pourcentage d'électricité produite du pays, à partir du nucléaire. Source : Panorama des statistiques de l'OCDE 2010.