Le fonctionnement d'une centrale nucléaire 1) Historique 2) Réaction de fission 3) Contrôle du cœur 4) Anatomie d’une centrale nucléaire Charles Boisvert 18/09/2018

Introduction Un petit peu d’histoire… 500 av. J-C:Leucippe, philosophe grec énonce le concept de l’atome 1896: Henri Becquerel constate l’effet de sels d’uranium sur une plaque photographique. C’est la naissance de la physique nucléaire 1898:Marie et Pierre Curie étudient le phénomène de radioactivité et découvrent deux éléments radioactifs, le radium et le polonium. 18/09/2018

Suite volet historique Irène et Frédéric Joliot-Curie dans le laboratoire où ils fabriquèrent au début de 1934 un atome radioactif qui n'existait pas dans la Nature  18/09/2018

Suite volet historique 1932: Sir James Chadwick évalue la masse du neutron. On découvre que la constitution du noyau est faite de protons et de neutrons. Il compte 99% de la masse de l’atome 1938:Hahn et Strassman découvrent la fission nucléaire 1945: Les Américains font exploser la première bombe atomique 18/09/2018

Fin du volet historique 1965 à nos jours: L’énergie nucléaire est employée sur une base domestique afin de produire de l’énergie électrique. 18/09/2018

La réaction de fission nucléaire Quelques notions de base… 1)Particules lourdes:Particules aptes à libérer une qté importante d’énergie pour provoquer des phénomènes d’ionisations intenses. Les particules électriquement chargées ont la faculté d'arracher des électrons appartenant aux atomes de la matière qu'elles traversent 2)Neutron: Particule lourde caractérisée par une absence de charge ce qui lui permet de traverser les diverses couches électroniques des atomes sans interagir avec les électrons *aucune perte d’énergie lors de son trajet* 18/09/2018

Suite Réaction de fission nucléaire-notions de base 3) Énergie de liaison: Assure la cohésion du noyau. Une quantité d’énergie égale à celle de l’énergie de liaison est nécessaire pour rompre l’unité du noyau et obtenir une fission nucléaire. 4) Élément instable: Élément dont la masse importante l’incite à se dégrader en d’autres éléments de masse inférieure afin d’acquérir la stabilité 5) K ou coefficient de multiplication: facteur par lequel se trouve multiplié le nombre de fission d’une génération à l’autre 18/09/2018

Suite réaction de fission nucléaire Schéma de « la vallée de la stabilité… » 18/09/2018

Suite réaction de fission nucléaire Stabilité et instabilité La stabilité ou l'instabilité d'un noyau résulte de la compétition entre les forces attractives et répulsives présentes en son sein. Un noyau est un assemblage particulièrement complexe de nombreux constituants dont le nombre atteint 238 pour l'élément naturel le plus lourd, l'uranium. 18/09/2018

Suite Réaction de fission nucléaire stabilité-instabilité Les noyaux doivent leur stabilité à la force attractive nucléaire qui l'emporte sur la répulsion entre les charges électriques de même signe des protons. Cette attraction requiert un équilibre entre les protons et les neutrons sinon on obtient un élément dit « instable » 18/09/2018

La réaction de fission-Schéma 1)1 neutrons entre en collision avec un noyau d’élément instable, lourd 2)Scission du noyau et libération d’énergie+produits de fission+rayonnement+N neutrons (N est compris entre 0 et 6) 18/09/2018

Fission nucléaire- un phénomène de radioactivité La radioactivité est la propriété que possèdent certains éléments naturels (radium, potassium) ou artificiels (dus à l'intervention humaine) d'émettre spontanément des particules alpha "a", bêta "b" ou un rayonnement gamma « g". On désigne plus généralement sous cette appellation l'émission de rayonnement accompagnant la fission ou la désintégration d'un élément instable. 18/09/2018

Suite réaction de fission nucléaire-exemple Si l’on désire effectuer une fission nucléaire sur l’uranium 235, il faut: 1)Envoyer un flux de neutrons sur le matériel fissible a)une proportion des neutrons provoque la fission. On la nomme « Keff » pour K effectif b)une proportion fuit hors du système c)une proportion est capturée par les raies de résonance du combustible 18/09/2018

Suite réaction de fission nucléaire-exemple d)une proportion est capturée par des corps autres que le combustible. Dans une centrale nucléaire, il s’agit de composantes annexes au combustible tel que le réfrigérant, le modérateur, etc…Cela sera traité plus loin. 2)Fission du noyau de matière fissible avec libération E + rayonnement + Neutrons(entre 0 et 6 dépendant du matériel fissible) 18/09/2018

Suite réaction de fission nucléaire-exemple 3) Libération de « n » neutrons dont un certain nb Keff. 4) Réaction en chaîne 5) Noyau se transforme en éléments stables Ainsi, U235+n => U236 => A+B+ « n »+E+rayonnement http://nucleaire.edf.fr/fs_comment_marche.html ANIMATION 18/09/2018

Suite réaction de fission Les grandes caractéristiques Pourquoi est-ce une énergie intéressante? A)Importance de l’Énergie libérée -200MeV/atome uranium -La fission de 1 pastille d’uranium (7g)= la combustion de 1 tonne de charbon ! B)Possibilité d’avoir une réaction en chaîne C)L’existence de neutrons retardés *Essentiel pour le contrôle du réacteur nucléaire* 18/09/2018

Contrôle du cœur du réacteur-émission neutronique à 2 temps Un des facteurs pouvant rendre incontrôlable une réaction de fission: -le nb Keff. Si Keff > 1, on obtient la fonte du réacteur  Par chance…Le nb Keff peut être gardé dans des limites acceptables(K=1) grâce au phénomène d’émission neutronique à 2 temps. 18/09/2018

Émission neutronique à 2 temps Lors de la fission, la quasi-totalité des neutrons est émise à un même instant t mais une faible proportion, 0.075%, est émise à t+1 minute. Ainsi, au tout début de la réaction de fission, K prend une valeur efficace de 1 puis, il grimpe à 1.0075 après 1 min. Si K<1<K x 1.0075, la réaction se déroule comme si la vie moyenne des neutrons=1min. Et tout devient très contrôlable.  18/09/2018

Si K est sup. à 1… Aïe aïe aïe, Caramba!:-p Si « n » est le nb. de neutrons d’une génération et si θ est leur vie moyenne, on peut écrire: (équation au tableau) En intégrant, on a: où θ=10-3sec.dans un réacteur à U naturel et 10-4sec lorsque U est enrichi. On note que pour un Keff sup. à 1(une réaction surcritique), on accroît le flux de neutron de manière exponentielle et qu’ainsi, la puissance du réacteur est multiplié par…20 000 :-O 18/09/2018

Exemple numérique Si Keff=1,10 θ=0.001 sec t=0.1sec 18/09/2018

Fonctionnement d’une centrale nucléaire(Général) Une centrale nucléaire est une usine qui fabrique de l’électricité à partir d’un combustible particulier, l’uranium. La fission de l’uranium dans le cœur du réacteur nucléaire fournit de l’énergie sous forme de chaleur, générant de la vapeur d’eau. Celle-ci convertit l’énergie thermique en énergie mécanique par détente dans une turbine. La turbine entraîne, à son tour, en rotation un alternateur, qui convertit l’énergie mécanique en électricité par induction. 18/09/2018

Schéma-centrale nucléaire produisant de l’électricité par vapeur 18/09/2018

Anatomie de la centrale nucléaire a) Les 3 circuits d’eau d’une centrale 1) Le circuit primaire récupère la chaleur dégagée par la fission de l’uranium 2) Le circuit secondaire, indépendant du premier, reçoit cette chaleur et produit de la vapeur d’eau pour faire tourner la turbine. 18/09/2018

Suite-anatomie de la centrale nucléaire 3) Le circuit de refroidissement, quant à lui, fait circuler de l’eau froide pour condenser à nouveau la vapeur du circuit secondaire. b) Le bâtiment réacteur Le cœur du réacteur est constitué par une cuve en acier contenant les assemblages combustible et l’eau du circuit primaire. 18/09/2018

Suite-anatomie de la centrale nucléaire C’est dans le cœur que se produit la réaction de fission. Une série de composantes spécifiques fait en sorte que la réaction se produise rondement. 1)Le pressuriseur élève la pression de l’eau à 155 bars pour l’empêcher de bouillir. 2)Les pompes assurent la circulation de l’eau. 18/09/2018

Suite-anatomie de la centrale nucléaire 3) Le générateur de vapeur permet l’échange de chaleur entre l’eau du circuit primaire et l’eau du circuit secondaire. 4) L’ensemble est enfermé dans une enceinte en béton étanche qui assure le confinement. 5) Des barres de contrôle capables d’absorber les neutrons sont employées pour contrôler la réaction. L’immersion totale des barres entraîne un arrêt de la réaction en <2 sec 18/09/2018

Schéma de la cuve et du fonctionnement des barres de contrôle Régularisation de l’intensité de la fission grâce aux barres de contrôle 18/09/2018

Suite-anatomie d’une centrale nucléaire C)La salle des machines 1) La turbine tourne sous l’action de la vapeur et entraîne ainsi l’alternateur. 2) L’alternateur produit l’électricité par induction électromagnétique. 3) e condensateur recueille la vapeur qui la transforme à nouveau en eau. 4) Des pompes l’acheminent alors vers le générateur de vapeur où elle se réchauffe pour se retransformer en vapeur. 18/09/2018

Suite-anatomie d’une centrale nucléaire D)La salle de contrôle Elle regroupe les commandes et les informations à la disposition d’une équipe de quart, présente en permanence. 18/09/2018

Suite-anatomie d’une centrale nucléaire E)La station de pompage Elle alimente en eau froide le condenseur. F)Les aéroréfrigérants Servent à refroidir l’eau provenant du condenseur. G)Le transformateur principal Il élève la tension à 400 kV et transmet l’électricité à une très haute tension 18/09/2018

Le combustible employé L’uranium enrichi L’uranium naturel est un mélange de deux isotopes: l’uranium 238, le plus abondant à 99,3 % et l’uranium 235 dans la proportion de 0,7 %. Or, c’est l’uranium 235, qui permet la fission nucléaire. L’enrichissement est l’opération qui consiste à augmenter la proportion d’uranium 235 dans la masse d’uranium. La proportion d’uranium 235, c’est-à-dire fissile, passe alors à 3,2 %. 18/09/2018

Comment l’emploie-t-on? Afin de l’utiliser efficacement, on le convertit en oxyde d’uranium puis on le comprime et on le cuit au four. On obtient alors des pastilles que l’on place dans de longs tubes. 11 millions de pastilles sont nécessaires pour le fonctionnement d’une centrale de 900 MW, soit 77 000 kg d’uranium… 18/09/2018

Assemblage des « pastilles » On enfile les pastilles dans de longs tubes. Ceci forme les « crayons » de combustible longs de 4 m. Ils sont regroupés pour former des assemblages. Le réacteur comprend 157 assemblages de 264 crayons. 18/09/2018

Accidents tristements célèbres… EN URSS : Tchernobyl (1986) A la suite d’une série de dysfonctionnements techniques et d’erreurs humaines, le réacteur n°4 de la centrale de Tchernobyl explose le 26 avril 1986  AUX ETATS-UNIS à Three Miles Island (1979), La fusion partielle du cœur du réacteur ayant entraîné des rejets très limités dans l’environnement 18/09/2018

Utilisation responsable de l’énergie atomique sinon… 18/09/2018