Les centrales nucléaires
Les centrales nucléaires utilisant la fission de l'uranium 235.
Les centrales nucléaires servent à transformer l'énergie nucléaire en énergie électrique en utilisant la fission de l'uranium 235. Elles se divisent en plusieurs parties: le réacteur, le circuit primaire, le générateur de vapeur, le circuit secondaire, les turbines, l'alternateur, le condenseur, le circuit de refroidissement et la tour de refroidissement.
Le réacteur nucléaire, aussi appelé pile atomique, est un dispositif qui permet de récupérer et d'utiliser l'énergie dégagée par la fission. Les neutrons produits par une réaction de fission sont généralement trop rapides pour provoquer d'autres fissions. Il faut les ralentir en utilisant un matériau particulier appelé modérateur. Les neutrons sont ralentis en subissant des chocs sur celui-ci. Le modérateur favorise la réaction en chaîne en rendant plus efficace les chocs des neutrons sur les noyaux fissibles. Mais la fission peut également être réalisée avec des neutrons rapides; dans ce cas, le réacteur nucléaire ne contient pas de modérateur.
Le réacteur nucléaire, dans lequel le phénomène de fission se produit avec des neutrons lents, comprend essentiellement: la matière fissible (appelée combustible nucléaire), le modérateur de neutrons; un fluide qui permet de récupérer et de véhiculer la chaleur de la réaction (fluide caloporteur), un appareillage destiné à transformer la chaleur de fission en énergie utilisable, enfin, des installations de sécurité et de contrôle.
Les combustibles nucléaires les plus couramment utilisés sont l'uranium naturel (uranium 238) à l'état d'oxyde (UO3) ou métallique, l'uranium enrichi en uranium 235 et le plutonium 239. La réaction en chaîne ne peut se produire que si la matière fissible a une certaine forme géométrique et une masse bien déterminée appelée massa critique.
Dans le réacteur, le combustible soigneusement usiné, se présente généralement sous la forme de barreaux cylindriques de quelques centimètres de diamètre et d'une longueur approximative de 30 cm. Chaque barreau est entouré d'une enveloppe étanche (en magnésium ou en zirconium) appelé gaine. Elle a un double rôle: isoler le combustible du fluide de refroidissement afin que celui-ci ne soit pas contaminé par la radioactivité des produits de fission, et empêcher le combustible d'être détérioré par l'action corrosive de ce fluide.
Le modérateur qui permet aux neutrons d'atteindre une vitesse efficace peut être soit de l'eau (H2O), soit de l'eau lourde (D2O), soit du graphite (C). Le combustible est placé au sein du réacteur dans des canaux cylindriques dont le diamètre est bien supérieur à celui des barreaux gainés; le fluide caloporteur peut ainsi circuler entre les parois internes des canaux et les barreaux de combustible. Le combustible, la gaine et le modérateur doivent être exempts de toute impureté qui pourrait capter les neutrons utiles pour la réaction de fission.
Le fluide caloporteur, appelé aussi réfrigérant ou refroidisseur, a une fonction double: récupérer l'énergie de fission et refroidir le combustible nucléaire qui est le siège d'une réaction dégageant une grande quantité de chaleur. Ce fluide peut être soit du gaz carbonique (CO2) sous pression, soit de l'eau (H2O), soit de l'eau lourde (D2O), soit des liquides organiques ou des métaux fondus, tel le sodium (Na). L'évacuation de la chaleur par le réfrigérant est une opération très importante, car certains matériaux du réacteur ne peuvent pas supporter une température trop élevée. S'il s'agit par exemple, d'un réacteur où le combustible est l'uranium naturel avec une gaine en magnésium, la température à l'intérieur des barreaux ne doit pas dépasser 650 °C; sinon, la gaine serait rompue.
La chaleur de fission, après avoir été libérée, est captée et transformée en énergie utilisable dans les échangeurs de chaleur. Ceux-ci sont des appareils formés de deux tubes concentriques dans lesquels deux fluides circulent en sens inverse l'un de l'autre. L'un des fluides (le fluide caloporteur) récupère la chaleur dégagée dans le réacteur, l'autre (de l'eau qui passe à l'état de vapeur) peut servir, par exemple, à actionner les turbines d'un alternateur. Lorsque le fluide caloporteur est du sodium fondu, les tuyauteries dans lesquelles il circule doivent être particulièrement bien étanches, car le contact du sodium et de l'eau provoque une réaction explosive.
La réaction en chaîne est contrôlée grâce à un système de barres constituées d'une substance très absorbante de neutrons, tels le cadmium (Cd) ou le bore (C). Suivant l'enfoncement plus ou moins grand de ces barres, à l'intérieur du réacteur du réacteur, les neutrons sont plus ou moins absorbés. Ces barres dites de pilotage permettent de régler le fonctionnement du réacteur. D'autres barres ( en cadmium ou en bore constituent un dispositif de sécurité: si elles sont complètement relevées; le fonctionnement du réacteur est possible; leur chute entraîne l'arrêt du réacteur. Un réacteur nucléaire est une source de rayonnements intense, dangereux pour l'organisme humain; ces rayonnements proviennent du combustible radioactif et de la réaction de fission. Afin d'assurer une protection efficace du personnel, le réacteur est entouré de murs de béton de deux à trois mètres d'épaisseurs. Dans certains réacteurs appelés piles-piscine, le cœur (c'est-à-dire la partie dans laquelle se produit la réaction de fission) est immergé dans un bassin sous une épaisseur de plusieurs mètres d'eau, celle-ci servant à la fois de modérateur, de fluide de refroidissement et de dispositif de protection absorbant les rayonnements nuisibles.
Le fonctionnement d'un réacteur se modifie au cours de l'évolution de la réaction en chaîne: la consommation de la matière fissible, les variations de température et la formation de produits de fission qui absorbent les neutrons, entraînent un ralentissement de l'activité du réacteur. Lorsque sa puissance devient trop faible, il faut retirer le combustible nucléaire et le remplacer. Les dimensions d'un réacteur dépendent de sa puissance, de la nature du combustible, du modérateur et de la concentration en noyaux fissibles. Les réacteurs industriels ont des dimensions beaucoup plus importantes que les réacteurs de recherche. Le réacteur nucléaire E.D.F. est un réacteur industriel formé d'un cylindre possédant une hauteur de neuf mètres et un diamètre de huit mètres qui contient 140 tonnes d'uranium naturel et 1200 tonnes de graphite. Un petit réacteur expérimental au plutonium a une hauteur de un mètre et une masse critique de 250 g.
Les réacteurs nucléaires peuvent être classés différemment suivant que l'on considère la vitesse des neutrons (réacteurs à neutrons lents; réacteurs à neutrons rapides), la nature du combustible et du modérateur (réacteurs à uranium enrichi modérés à l'eau légère; réacteurs à uranium naturel modérés à l'eau lourde ou au graphite), l'utilisation du réacteur (réacteurs de faible puissance, réacteurs de forte puissance).
Les réacteurs à neutrons rapides n'ont pas de modérateur. Ils comprennent essentiellement une masse de combustible très riche en matière fissible (uranium très enrichi ou plutonium) et d'éléments fertiles tel l'uranium 238. Les chocs des neutrons de la réaction de fission sur les noyaux d'uranium 238 produisent des noyaux fissibles, le plutonium 239. Dans ces réacteurs, il se forme plus de matière fissible qu'il n'en disparaît.
L'énergie dégagée par cette réaction est contrôlée
en descendant ou en remontant dans le cœur du réacteur des barres de
contrôle capables d'absorber les neutrons en excès.
Dans le circuit primaire
,
l'eau s'échauffe dans la cuve au contact des assemblages de combustible.
Cette eau chauffe l'eau du circuit secondaire
qui est transformée en vapeur. Cette vapeur sous pression fait tourner la
turbine qui entraîne l'alternateur produisant l'électricité. Le circuit
de refroidissement 
assure la réfrigération de l'eau du circuit secondaire dans le
condenseur (à partir de l'eau d'une rivière ou de la mer) ou dans des
tours de réfrigération atmosphérique contenant une grosse galette où
l'eau est pulvérisée en pluie et refroidie par un courant d'air, évacué sous
forme de gros nuage blanc.
Les centrales nucléaires utilisant la fusion du deutérium et du tritium.
Les centrale nucléaires utilisant la fusion visent le même but que celles utilisant la fission; c'est-à-dire produire de l'électricité à partir d'un alternateur entraîné par une turbine, qui elle est poussée par de la vapeur d'eau. Cette dernière, qui était de l'eau liquide, a été vaporisée par un générateur de vapeur utilisant de la chaleur produite par une réaction nucléaire. Les centrale nucléaires utilisant la fusion du deutérium et du tritium produisent beaucoup plus d'énergie que les centrale nucléaires utilisant la fission de l'uranium 235. Mais elle est en revanche, beaucoup plus difficile à réaliser. Les noyaux étant chargés de signes identiques (positivement), se repoussent. Pour qu'ils fusionnent, les forces de répulsion électrostatiques doivent être vaincues. Pour ce faire, 100 keV d'énergie sont nécessaires par paires de noyaux fusionnés. Pour atteindre cette valeur énergétique quasi négligeable, les noyaux doivent être portés à une température très élevée de l'ordre de 1 000 000 000 ºC! Cela s'explique par le fait que la masse totale de deux noyaux (deutérium et tritium) ont une masse infiniment petite valant approximativement 6.641 × 10-24 g. La température nécessaire pour que la réaction de fusion se produise est si grande qu'il nous est impossible pour le moment de la réaliser. Cette technologie sera au point d'ici 2050.
La réaction de fusion se fait dans le cœur d'un Tokamak. Celui-ci tourne à une vitesse excessivement grande à l'aide d'un système électromagnétique. L'agitation thermique qui en résulte, communique aux noyaux une vitesse suffisante pour qu'ils fusionnent en se heurtant. A une telle température, tous les atomes ont perdu leurs électrons; la matière se trouve dans un état particulier appelé plasma (mélange électriquement neutre formé d'électrons et de noyaux d'atomes). Lorsqu'un grand nombre de fusion se produisent simultanément, l'énergie dégagée est si importante qu'elle provoque d'autres réactions de fusion. C'est un tel phénomène qui a lieu dans le Soleil et les étoiles.
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