Les centrales nucléaires Master spécialisé : Techniques Nucléaires Et Radioprotection Les centrales nucléaires Réalisé par : Melle. LAZIRI Ouassima Demandé par: Mme .HAKAM Année universitaire 2014/2015

P L A N PLAN PLAN INTRODUCTION Fission nucléaire Fabrication de combustible Fonctionnement d’une centrale nucléaire PLAN PLAN P Avantages et Inconvénients L A N Cycle de vie d’une centrale nucléaire CONCLUSION BIBLIOGRAPHIE

Introduction Une centrale nucléaire est une usine de production d’électricité. Elle utilise pour cela la chaleur libérée par l’uranium qui constitue le "combustible nucléaire". L’objectif est de faire chauffer de l’eau afin d’obtenir de la vapeur. La pression de la vapeur permet de faire tourner à grande vitesse une turbine, laquelle entraîne un alternateur qui produit de l’électricité.

Une centrale nucléaire est avant tout une centrale thermique. Il s'agit de transformer une énergie calorifique (chaleur) libérée par le combustible (uranium enrichi) en énergie mécanique (mise en mouvement d'une turbine), puis en énergie électrique (grâce à un alternateur). Dans une centrale thermique classique, la chaleur provient de la combustion du charbon ou du fioul. Dans une centrale nucléaire, elle provient de la fission de l'uranium. Fission nucléaire Le principe de la fission Un noyau d'uranium 235 est bombardé par un neutron. Ce choc va rendre le noyau d'U 235 instable qui va se rompre en deux nouveaux noyaux : c'est la fission. Cette réaction libère beaucoup d'énergie sous forme de chaleur. De nouveaux éléments apparaissent, on les appelle "produit de fission". En plus de ces éléments, des neutrons sont libérés. 4

Réaction en chaine Les neutrons libérés vont pour la plupart aller frapper d'autres noyaux d'uranium qui, à leur tour, vont se rompre en libérant d'autres neutrons : c'est la réaction en chaîne. 5

Barres de commande Dans un réacteur nucléaire, la réaction en chaîne est contrôlée. On ne laisse qu'un seul neutron se propager et poursuivre la réaction, les autres étant capturés. Ainsi, une fission donne une fission et pas deux ou trois. La quantité de chaleur libérée dans la masse d'uranium est donc parfaitement maîtrisée. En pratique, ce sont des absorbants (bore, indium, cadmium) qui assurent l'absorption des neutrons excédentaires et le contrôle de la réaction en chaîne. Il existe notamment des barres de contrôle ou de commande. Mobiles, elles peuvent être introduites ou extraites du cœur de réacteur. En cas de nécessité, leur chute automatique au sein du combustible stoppe presque instantanément la réaction en chaîne. 6

L'uranium : le combustible nucléaire Fabrication de combustible Le traitement Le minerai est réduit en petits morceaux, finement broyé et soumis à des opérations chimiques pour en extraire l'uranium. Cela permet d'obtenir un uranium très concentré, sous forme d'une poudre jaune appelée yellow cake. 1 000 t de minerai donnent de 1,5 à 10 t de yellow  cake, contenant 75 % d'uranium.  Le yellow cake est ensuite raffiné pour le débarrasser de ses impuretés et obtenir un uranium complètement pur. Fabrication de combustible L'enrichissement L'uranium est un métal radioactif présent dans le sous-sol de la Terre. Avant de pouvoir l'utiliser comme combustible dans les réacteurs des centrales nucléaires, il faut l'extraire et le transformer. À ce stade, 1 kg d'uranium naturel est composé de 993 g d'uranium 238 et de 7 g d'uranium 235. Seul l'uranium 235 est fissile mais il n'est pas en proportion suffisante pour être utilisable dans les réacteurs des centrales. L'uranium doit donc être enrichi en uranium 235, de façon à ce qu'il en comporte entre 30 et 50 g.. 7

La fabrication du combustible Une fois enrichi, l'uranium est transformé en poudre noire. Comprimée et cuite au four, elle donne des petits cylindres d'environ 7 g et de 1 cm de long, appelés pastilles. Les pastilles sont enfilées dans des tubes en métal de 4 m de long dont les extrémités sont bouchées, pour constituer ce que l'on appelle des crayons. Ces crayons sont regroupés par lots dans des assemblages combustibles. Ces assemblages sont placés dans le cœur du réacteur pour le faire fonctionner.

L’uranium dans un réacteur nucléaire 9

Fonctionnement d’une centrale nucléaire Description Une centrale nucléaire regroupe l’ensemble des installations permettant la production d’électricité. Elle comprend plusieurs tranches, chaque tranche correspondant à un groupe d’installation conçu pour fournir une puissance électrique donnée ( 900Mwe; 1300MWe….). Une tranche comprend généralement : Le bâtiment réacteur, une enceinte étanche qui contient le réacteur nucléaire, les générateurs de vapeur (3 ou 4 selon la génération), un préssuriseur, une partie d’un circuit d’eau secondaire et le circuit d’eau primaire. Fonctionnement d’une centrale nucléaire   10

Fonctionnement d’une centrale nucléaire Alternateur Circuit Secondaire Le principe de fonctionnement des centrales nucléaires REP 1 - Une réaction nucléaire se produit dans le coeur du réacteur et dégage une chaleur très importante. 2 - La chaleur ainsi produite est transférée à l'eau du circuit primaire (en rouge sur le schéma). Cette eau est à 300°C environ. 3 - A son tour, l'eau du circuit primaire transmet sa chaleur à celle du circuit secondaire (en vert) et la fait bouillir, autrement dit la transforme en vapeur. 4 - Cette vapeur fait tourner le groupe turbo-alternateur qui produit l'électricité. 5 - La vapeur est refroidie par l'eau du circuit de refroidissement ou circuit tertiaire (en bleu) : elle est condensée, autrement dit elle redevient liquide. Circuit Primaire Circuit de Refroidissement 11 11

Fonctionnement d’une centrale nucléaire Ces trois circuits restent indépendants, pour éviter toute contamination radioactive à l'extérieur de la centrale. 12

Le circuit secondaire  Le circuit primaire communique avec un deuxième circuit fermé, appelé circuit secondaire par l'intermédiaire d'un générateur de vapeur. Dans ce générateur de vapeur, l'eau chaude du circuit primaire chauffe l'eau du circuit secondaire qui se transforme en vapeur. La pression de cette vapeur fait tourner une turbine qui entraîne à son tour un alternateur. Grâce à l'énergie fournie par la turbine, l'alternateur produit un courant  électrique alternatif. Un transformateur élève la tension du courant électrique produit par l'alternateur pour qu'il puisse être plus facilement transporté dans les lignes très haute tension. 13

Avantages et inconvénients L’utilisation du nucléaire aide au développement de l’économie Une centrale thermique produit nettement moins qu’une centrale nucléaire. Le nucléaire permet d’économiser les ressources naturelles de la planète tel que le pétrole, le gaz, le charbon … Les centrales nucléaires en fonctionnement coûtent globalement moins cher qu’une centrale thermique classique, en particulier dans les pays pauvres en ressources naturelles. Les centrales nucléaires ne rejettent pas de CO2 (contrairement aux centrales thermiques classiques). Le nucléaire contribue au maintien d'un haut niveau scientifique sur le territoire national. Avantages et inconvénients 14

Inconvénients Le système est très dangereux : son installation est très coûteuse et nécessite de nombreuses précautions, on ne peut pas être sûr d'une sécurité absolue (le risque 0 n'existe pas !). Les déchets radioactifs posent de très gros problèmes : ils sont maintenus en surface et menacent les générations futures. Le nucléaire empiète sur les énergies renouvelables (éoliennes, centrales hydraulique, …), limite leur développement, le ralentit … Le nucléaire émet une pollution dite « radioactive » extrêmement dangereuse pour la santé 15

Cycle de vie d’une centrale nucléaire L'avant-projet Les études de réalisation Construction Quotidienne  Programmée Décennale Exploitation La fermeture sous surveillance . La libération partielle et conditionnelle La libération totale et inconditionnelle  Déconstruction Cycle de vie d’une centrale nucléaire la vie d'une centrale obéit à un ensemble de procédures très réglementées. La construction Elle se déroule en 2 phases clés 1. L'avant-projet 16

La construction 1. L'avant-projet Les grandes idées de base du projet sont définies (architecture, position, dimension, organisation intérieure…). Parallèlement, une étude du site est menée pour déterminer l'emplacement exact et la conformité du site avec les critères requis et une procédure administrative est mise en place pour obtenir un décret d’autorisation de création. 2. Les études de réalisation Elles vont jusqu'à la réalisation des plans d'exécution et se prolongent pendant toute la durée de construction de la centrale. la vie d'une centrale obéit à un ensemble de procédures très réglementées. La construction Elle se déroule en 2 phases clés 1. L'avant-projet 17

L'exploitation En France, les centrales nucléaires sont conçues pour être exploitées pendant au moins 40 ans. Pendant cette période, la maintenance est organisée sur 3 niveaux : Quotidienne : les différents équipements de la centrale sont surveillés de façon à effectuer les ajustements ou réparations nécessaires . Programmée : tous les 18 mois environ, chaque tranche est arrêtée pendant 5 à 6 semaines pour recharger en combustible une partie du cœur du réacteur. Décennale : tous les dix ans, une inspection détaillée et complète de la tranche est effectuée, en particulier des principaux composants (cuve, circuit primaire, générateurs de vapeur, enceinte de confinement…). C'est à l'issue de ce bilan que l'Autorité de Sûreté Nucléaire donne l'autorisation de poursuivre l'exploitation du réacteur. 18

La déconstruction Une fois la période d'exploitation terminée, il s'ensuit un processus de déconstruction en 3 étapes sur 25 ans 1. La fermeture sous surveillance  Les combustibles sont retirés et les circuits d'eau vidangés. Le site reste sous surveillance. 2. La libération partielle et conditionnelle  Les installations sont partiellement démontées : les principaux composants du circuit primaire sont isolés et enfermés dans des structures en béton. Le site reste sous surveillance. 3. La libération totale et inconditionnelle Environ 10 ans plus tard, le temps de réduire la radioactivité de l'installation, celle-ci est complètement démontée. Les matériaux et équipements radioactifs sont évacués. Le site est rendu à son état initial ou utilisé pour une autre installation. 19

La sécurité des installations La sécurité des installations Électricité De France(EDF) assure la sécurité de ses installations nucléaires grâce à une série de barrières étanches successives 1ère barrière : la gaine métallique contenant le combustible nucléaire. Cette gaine appelée crayon, est un tube métallique étanche qui contient les pastilles d’uranium. 2ème barrière : le circuit primaire. Le circuit primaire est un circuit fermé dans lequel circule l’eau chargée d’extraire la chaleur dégagée par le cœur du réacteur. 3ème barrière : l’enceinte de confinement. Elle est constituée d’une paroi de béton pour les centrales de 900 MW et de deux pour celles de 1300 MW et 1450 MW. Cette enceinte, plus connue sous le nom d’enceinte réacteur, contient notamment les grands composants du circuit primaire. La sécurité des installations 20

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Les grands principes de la sûreté nucléaire La sûreté nucléaire est l'ensemble des dispositions techniques, humaines et organisationnelles mises en œuvre à toutes les étapes de la vie d'une centrale nucléaire pour protéger, en toutes circonstances, la population et l'environnement contre une éventuelle dispersion de produits radioactifs. La sûreté nucléaire Ces dispositions sont prises en compte dès la conception de l'installation, intégrées lors de sa construction, renforcées et toujours améliorées pendant son exploitation. Elle repose sur la mise en place de lignes de défense successives et indépendantes, que l'on appelle la défense en profondeur 22

Des contrôles stricts et réguliers Pour s'assurer du respect des exigences de la réglementation, l'État a chargé l'Autorité sûreté nucléaire (ASN) du contrôle de cette sûreté nucléaire. Elle est la seule habilitée à autoriser la mise en service ou la poursuite de l'exploitation d'une centrale nucléaire en France. En plus des contrôles internes, les inspecteurs de l'ASN effectuent plus de 450 contrôles par an, de manière programmée ou inopinée, sur l'ensemble des installations. Ces installations sont également régulièrement évaluées au regard des meilleures pratiques internationales par les inspecteurs et experts de l'Agence Internationale de l'Énergie Atomique (AIEA) 23

La maitrise de la réaction en chaîne La marche d'un réacteur peut être contrôlée avec précision. Pour le faire démarrer, pour l'arrêter, pour le faire fonctionner à différents niveaux de puissance, on agit sur l'intensité de la réaction en chaîne par l'absorption plus ou moins importante des neutrons. Pour ce faire, deux solutions sont utilisées : *Des grappes de commandes (ou barres de contrôle) plus ou moins insérées dans le réacteur. *Une concentration en bore (un matériau qui a la propriété d'absorber les neutrons) dans l'eau du circuit primaire plus ou moins importante. En cas de situation anormale, les grappes chutent automatiquement et arrêtent le réacteur en quelques secondes. 24

Les autres éléments de la sûreté Au niveau des systèmes La redondance : tous les systèmes de sûreté sont doublés ou triplés, voire quadruplés comme dans le cas de l'EPR, alors même qu'un seul suffirait. Si l'un d'eux ne fonctionne pas, le système en réserve s'y substitue. Les appareils de mesure sont triplés voire quadruplés dans certains cas. La diversification : certaines fonctions de sûreté sont assurées par des matériels différents, de façon à éviter qu'une cause unique de défaillance n'affecte en parallèle plusieurs des systèmes. La séparation physique : systèmes et matériels redondants sont installés dans des locaux séparés physiquement afin de les prémunir d'événements qui pourraient rendre simultanément indisponibles deux systèmes ou matériels ayant la même fonction. 25

Au niveau de l'exploitation La maintenance et le retour d'expérience : l'expérience acquise pendant l'exploitation, les progrès technologiques et les contrôles permettent de moderniser les équipements et les installations et contribuer ainsi au principe de défense en profondeur. La formation des intervenants : toutes les centrales sont équipées de simulateurs, répliques de la salle des commandes où les jeunes embauchés et les salariés plus anciens s'entraînent à répondre à toutes les situations. Les pilotes de réacteurs suivent en moyenne 6 semaines de formation par an pour garantir le niveau de sûreté. La prise en compte des risques externes : après tout événement important en France ou à l'international (séisme, inondation, tsunami...), un réexamen spécifique de sûreté est effectué. 26

Les systèmes de sûreté en situation accidentelle Plusieurs systèmes de sûreté sont prêts à intervenir en situation accidentelle. Ils ont pour but de maintenir la sûreté en cas de défaillance des autres circuits :  Le circuit d'alimentation de secours: des générateurs de vapeur pallie les défaillances éventuelles du circuit normal d'alimentation en eau. Le système d'injection de sécurité: assure l'injection de bore et le refroidissement du cœur en cas de brèche sur le circuit primaire entrainant une fuite d'eau. Le circuit d'aspersion de l'enceinte: a pour but de faire baisser la pression et la température dans le bâtiment réacteur. 27

L'énergie a toujours été un problème important dans l'histoire de l'humanité. En cherchant à en produire toujours davantage, l'Homme a été contraint de repousser les limites de la physique. La source d'énergie sur laquelle se penchent la plupart des projets de recherche actuels est l'énergie de fusion nucléaire qui apparaît comme une réaction libérant 5 fois plus d’énergie que la fission. Conclusion L'énergie a toujours été un problème important dans l'histoire de l'humanité. En cherchant à en produire toujours davantage, l'Homme a été contraint de repousser les limites de la physique. La source d'énergie sur laquelle se penchent la plupart des projets de recherche actuels est l'énergie de fusion nucléaire qui apparaît comme une réaction libérant 5 fois plus d’énergie que la fission. 28

Bibliographie http://jeunes.edf.com/article/le-fonctionnement-d-une-centrale-nucleaire,62 http://jeunes.edf.com/article/l-uranium-le-combustible-nucleaire,66 http://jeunes.edf.com/article/le-cycle-de-vie-d-une-centrale-nucleaire,65 http://www.phy6.org/stargaze/FnucEner4.htm http://energiedemain.e-monsite.com/pages/presentation-de-l-energie-nucleaire/l-energie-nucleaire.html http://jeunes.edf.com/article/la-surete-nucleaire,313 29