EN VIDÉO] Predator, le robot qui peut démanteler une centrale nucléaire Pour démanteler le réacteur nucléaire A de la centrale de Chooz, dans les Ardennes, des robots, en fait, des
Les énergies renouvelables ont pour origine le rayonnement du soleil reçu par la Terre. Mais d’où vient l’énergie nucléaire utilisée dans les centrales ? Les noyaux atomiques Tout d’abord, avant de répondre à cette question, il faut rappeler les ingrédients essentiels de la physique nucléaire. Les atomes sont constitués d’un noyau chargé positivement et d’électrons chargés négativement qui orbitent autour dans des états quantiques…. La physique nucléaire est la branche de la physique qui s’intéresse aux propriétés de ces noyaux atomiques. Ils sont constitués de particules non élémentaires appelés nucléons, qui sont soit des protons chargés soit des neutrons non chargés comme leur non l’indique. Un noyau atomique est donc entièrement caractérisé par son nombre de protons noté Z, et son nombre de neutrons N. Le nombre de protons est ce qui détermine le nom de l’élément. Ceux-ci sont habituellement rangés dans la classification périodique ci-dessous, en fonction du nombre croissant de protons. Avec un seul proton c’est l’hydrogène H, avec deux protons c’est de l’hélium He, avec trois du lithium Li etc… Classification périodique des éléments. Source Pixabay. Et chaque élément un nombre de protons donné se décline en différents isotopes selon le nombre de neutrons. Par exemple l’hélium-3 possède 3 nucléons, mais en tant qu’élément on sait qu’il a 2 protons. On en déduit donc qu’il a un neutron 2+1=3. Tandis que l’hélium-4, beaucoup plus courant a aussi deux protons, mais également deux neutrons, d’où le chiffre 4 associé pour le nombre total de nucléons 2+2=4. On observe au passage,que l’uranium fait partie d’un sous groupe appelé les actinides, et qu’il possède 92 protons. Il fait d’ailleurs partie des plus gros noyaux. Les isotopes les plus courants sont l’uranium-238 qui a donc 146 neutrons 238-92=146, et l’uranium-235 qui possède seulement 143 neutrons 235-92=143. Une manière bien plus pratique de ranger les différents noyaux est alors de faire un damier, avec sur un axe le nombre de neutrons N, et sur l’autre le nombre de proton Z. On peut ainsi visualiser sur chaque ligne les isotopes d’un même élément. Classification des noyaux en fonction du nombre N de neutron axe horizontal et du nombre Z de protons axe vertical. Energie de liaison Il existe deux manières de former des noyaux. Soit en réunissant des noyaux plus petits la fusion, soit en cassant des noyaux plus grands la fission. Mais ce qui est fondamental dans toute la physique nucléaire, c’est que l’énergie d’un noyau n’est jamais égale à l’énergie de ses constituants. Il faut rappeler que l’énergie peut exister sous forme d’énergie cinétique elle est alors associée à la vitesse, mais également sous forme de masse. On parle alors d’énergie de masse, Einstein nous a appris que pour toute masse m, l’énergie de masse est E=mc2. Si on prend un ensemble de protons et de neutrons isolés, et qu’on les réunit on les fait fusionner pour former un noyau, celui-ci aura une masse qui n’est pas la même que la masse des protons et neutrons utilisés pour le former. Autrement dit la masse d’un noyau est toujours différente de la masse de ses constituants. Elle est en même toujours plus petite. Prenons un exemple. Si on considère le deutérium un noyau constitué d’un proton et d’un neutron, un isotope de l’hydrogène, on observe que sa masse plus précisément son énergie de masse est de MeV, tandis que les masses du neutron et du proton sont de MeV et MeV respectivement. NB Le MeV, pour Méga-électron-Volt, est une unité d’énergie. Si vous faites le calcul, vous en concluez donc que le deutérium possède MeV d’énergie en moins que ses constituants pris individuellement. Il s’agit de l’énergie de liaison. Lorsque deux objets physiques sont liés par une force attractive, l’énergie est plus basse que lorsqu’ils sont séparés. Ici, les nucléons dans un noyaux sont liés par les forces nucléaires. Tout se passe comme si le proton et le nucléon pèsent chacun MeV de moins lorsqu’ils sont liés dans un noyau de deutérium. Et cette énergie de liaison n’est pas perdue car l’énergie est une quantité conservée. Lorsqu’un proton et un neutron fusionnent, ces MeV sont transférés à un photon. Et MeV pour un photon c’est extrêmement puissant ! On parle alors de rayon gamma. La réaction de fusion qui produit le deutérium peut donc être illustrée de cette manière Fusion du deuterium. Un proton p et un neutron n, permettent de former le deuterium D en émettant un photon gamma. Les énergies sont données en MeV sous la réaction. Source de l’auteur. On peut continuer à former des noyaux plus complexes, c’est-à-dire avec plus de protons et plus de neutrons, et regarder à chaque fois l’énergie de liaison, c’est-à-dire la quantité d’énergie récupérable dans l’opération. Plus précisément, on va regarder l’énergie enlevée aux nucléons comme on vient de le faire pour le deutérium. On arrive alors sur le graphique suivant courbe noire Energie de liaison par nucléon, en fonction du nombre de nucléons. Source wikipedia. En bleu le sens des réactions de fusion qui produisent de l’énergie. en rouge le sens des réactions de fusion qui consomment de l’énergie. On voit que le deutérium en bas à gauche, noté H2 figure bien à MeV signifiant que tout se passe comme si chaque nucléon dans ce noyau avait perdu cette quantité d’énergie, et l’avait ainsi libérée. En suivant la courbe, on note que pour l’hélium-3 noté He3, tout se passe comme si chaque nucléon avait perdu MeV environ. Et pour l’hélium-4 noté He4, tout se passe comme si chaque nucléon avait perdu 7 MeV ! Et ça continue comme ça jusqu’au fer. Le fer est tout en haut de cette courbe noté Fe56, et c’est dans ce noyau que les nucléons ont perdu, et donc libéré, le plus d’énergie. Il s’agit donc du noyau le plus stable. L’énergie du soleil Pour faire court, ce sont ces réactions de fusion partant du noyau d’hydrogène un proton pour donner des éléments plus gros jusqu’à former du fer, qui occupent l’essentiel du très long temps de vie des étoiles. D’abord elles forment de l’hélium, puis du carbone, de l’oxygène etc… jusqu’à la phase finale où elles fabriquent du fer, puis elle meurent faute de carburant. Dans le détail c’est évidemment un peu plus compliqué, car cela dépend de la masse des étoiles, et les étoiles ne vont former des éléments que dans une certaine zone proche du centre, mais on peut tout de même dire sans trop tordre la vérité que les réactions de fusion jusqu’au fer, ou jusqu’à des éléments un peu plus légers, sont la source d’énergie des étoiles, qui est ensuite rayonnée en lumière. Cela explique au passage la formation des éléments plus petits que le fer. En effet, en fin de vie l’étoile va exploser les plus grosses pour être exact, et rejeter tous ces éléments dans le milieu interstellaire. Ensuite, le nuage ainsi formé va se contracter on parle de nébuleuse graduellement et s’effondrer pour former une nouvelle étoile et des planètes gravitant autour. Comme aime à le dire Hubert Reeves, nous sommes tous poussière d’étoiles le carbone de la matière organique est plus léger que le fer et il est donc fabriqué comme expliqué ci-dessus. Le soleil a un peu moins de 5 milliards d’années, mais l’Univers en a quasiment 14. Il s’est donc formé à partir de débris d’étoiles plus anciennes arrivées en fin de vie. Au passage, on peut ajouter que c’est grâce à l’énergie reçue du soleil qu’il y a du vent, des nuages, des précipitations. L’éolien, l’hydraulique et le solaire sont des énergies qui ont toutes pour origine les réactions de fusion nucléaire au sein du soleil. Car l’énergie dégagée par ces réactions est évacuée par le rayonnement émis par le soleil. Indirectement, les renouvelables ne le sont pas puisque le soleil mourra un jour dans plusieurs milliards d’années, et de plus elles sont d’origine nucléaire ! Le concept de renouvelable est donc relatif à une échelle de temps donnée, et ce qui est pertinent est bien sûr de prendre le temps caractéristique de l’humanité inférieur au million d’années pour juger de l’aspect durable d’une source d’énergie. Par ailleurs les énergies fossiles sont un stockage de cette énergie solaire. Le pétrole, le charbon et le gaz naturel sont une forme stockage de l’énergie solaire et donc d’énergie de fusion nucléaire, sous forme d’énergie de liaison chimique. Les éléments plus lourds Si les étoiles ne fabriquent pas les éléments au delà du fer, comment les éléments plus lourd ont-ils pu se trouver dans la nébuleuse à l’origine du système solaire, et au final sur Terre ? La réponse a été trouvée dans les années 50. Il a été compris qu’il existait deux processus, l’un lent appelé processus s, avec s comme slow et l’autre rapide appelé processus r, avec r comme rapide qui permettaient de fabriquer des éléments plus lourds que le fer. NB Les physiciens sont parfois terriblement ennuyeux quand il s’agit de nommer les choses. Parfois ils inventent de belles expressions comme quark ou big-bang, mais le plus souvent c’est d’un manque de poésie frappant… Ces processus consistent à gaver les noyaux déjà formés par des neutrons pour les faire grossir. Mais attention, il faut des neutrons qui puissent apporter de l’énergie, car l’énergie de liaison au delà du fer diminue. Au delà du fer, les noyaux possèdent moins d’énergie que leur constituants, mais c’est de moins en moins le cas, si bien que pour former ces noyaux lourds, il faut non seulement apporter des nucléons, mais également de l’énergie. Pour résumer, les réactions de fusion jusqu’au fer libèrent de l’énergie, mais au delà elles en consomment. Cette énergie cinétique supplémentaire apportée se retrouve stockée par l’énergie de liaison associée aux forces nucléaires. Les noyaux lourds se transforment en réservoirs d’énergie qui peut être libérée lorsque le chemin inverse est réalisé, c’est-à-dire lorsque ces noyaux lourds sont fissionnés. Dans le processus s on gave les noyaux lentement, si bien qu’ils ont le temps de digérer cet excès de neutrons en les transformant en protons, afin de rester équilibrés à peu près autant de protons que de neutrons. Dans le cas du processus r on les gave comme des oies, sans leur laisser le temps de retrouver une forme harmonieuse. On finit par former des noyaux plus gros qu’avec le processus s, et surtout avec sensiblement plus de neutrons que de protons. Sur la figure ci-dessous, on a colorié en bleu tous les noyaux qui sont formés au cours du processus s, et en rouge ceux formés par le processus r. Ces processus peuplent les éléments de plus en plus chargés en nucléons, c’est-à-dire en partant du bas à gauche le fer pour aller vers le haut à droite. Source Pumo, 2012. The s-process nucleosynthesis in massive stars current status and uncertainties due to convective overshooting. A la fin du processus r en rouge, les noyaux digèreront un peu et ils transformeront certains neutrons en protons. De la fin de la séquence de fabrication par le processus r, et après cette digestion d’une partie des neutrons, on obtiendra alors des actinides, avec notamment de l’uranium. On peut voir cela de manière dynamique sur cette belle animation. Fusion d’étoiles à neutrons En plus de raffiner la compréhension de ces deux processus, la question qui a alors occupé les astrophysiciens, a été de déterminer où dans l’Univers les conditions peuvent être réunies pour enclencher ces processus. Ce n’est pas évident du tout ! Pour le processus s, on sait que c’est dans les grosses étoiles en fin de vie, mais pour le processus r ce fut longtemps resté très mystérieux, car il faut un nombre invraisemblable de neutrons qui n’existent pas à l’état naturel sans se désintégrer au bout de quelques minutes, et de plus il faut qu’ils aient beaucoup d’énergie cinétique et donc que la température soit très élevée. En 2017, les astronomes de la collaboration LIGO / Virgo ont observé pour la première fois les ondes gravitationnelles émises par la fusion de deux étoiles à neutrons. Le signal mesuré par les détecteurs d’ondes gravitationnelles ressemble à ça Diagramme fréquence-temps de la fusion d’étoiles à neutrons GW170817. Source LIGO, Abbott et al. Phys. Rev. Lett. 119, 161101 Il s’agit de la fréquence de l’onde gravitationnelle mesurée dans le détecteur en fonction du temps. La signature de la coalescence de ces deux étoiles à neutrons est la ligne en forme de virgule Nike verte. Comme elle monte, cela signifie que la fréquence ne fait qu’augmenter. Quand la ligne s’arrête, les deux étoiles ne font plus qu’une et le système cesse brutalement d’émettre ces ondes gravitationnelles. Si on devait écouter le signal dans un haut parleur, cela ressemblerait au bruit d’une pièce qui tombe et qui oscille de plus en plus rapidement jusqu’à ne plus bouger. Mais le plus beau c’est que contrairement à la fusion de deux trous noirs qui avait été détectée pour la première fois en 2015, et pour lesquels aucune lumière ne peut être émise, les astronomes ont pu observer la lumière émise juste après la fusion de ces deux étoiles à neutrons. On appelle ce phénomène lumineux une kilonova, et on a ainsi pu comprendre qu’il s’agissait de la lumière émise par la matière éjectée lors de la fusion d’étoiles à neutrons, et qui trouve une grosse partie de son énergie dans la radioactivité des noyaux lourds formés. Si vous souhaitez imaginer à quoi ressemble un tel événement cataclysmique, voici une vision d’artiste Source NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet. Le plus intéressant dans cet événement, est qu’on a pu observer le spectre de la lumière émise en fonction du temps quelques minutes après, quelques jours après, quelques semaines après etc…. Observer le spectre signifie qu’on a pu séparer les différentes couleurs qui constituent la lumière de cette kilonova, et cela ressemble à ça Spectres de la kilonova associée à GW170817 pour différents temps. Le temps augmente de haut en bas. Source Pian et al. Nature, 551, p67–70 2017. Si on en croit l’article de Pian et al., on peut lire dans ces spectres et c’est là qu’il faut vraiment faire confiance aux scientifiques… que des actinides ont été produits dans la matière éjectée par la fusion de ces deux étoiles à neutrons. Bingo ! Si on regarde le tableau périodique des éléments en haut de cet article, on voit que les actinides sont très lourds avec au moins 90 protons, et au moins autant voire largement plus de neutrons. On sait qu’ils sont trop lourds pour être fabriqués par le processus s, et c’est donc qu’ils ont été fabriqués par le processus r. Actuellement, la théorie qui tient la corde, c’est que la fabrication des éléments lourds par processus r a lieu principalement dans les fusions d’étoiles à neutrons. Watson et al. ont par ailleurs aussi identifié du strontium produit dans cet événement cosmique. La matière expulsée se retrouve ensuite dans le milieu interstellaire et est recyclée dans la formation de systèmes stellaires ultérieurs, comme notre système solaire. Nous vivons sur des poussières d’étoiles, et même des rebuts d’étoiles à neutrons…. Le fin mot de l’histoire Pour gaver les noyaux avec les processus r, il faut beaucoup de neutrons, et qu’ils aient assez d’énergie qu’ils soient assez chaud pour permettre la fabrication d’éléments plus lourds que le fer. D’où viennent les neutrons, qui par ailleurs n’existent pas en liberté, et d’où vient leur très grande énergie ? Lorsqu’une étoile massive arrive en fin de vie, et si elle est suffisamment grosse un peu plus grosse que notre soleil au moins, elle s’effondre quand elle manque d’énergie nucléaire. Elle produit alors soit un trou noir, soit une étoile à neutrons. Au passage, cela donne lieu à une belle explosion qu’on appelle une supernova. On a longtemps cru que c’était dans ces explosions que les conditions étaient réunies pour enclencher le processus r. Lors de l’effondrement, la matière se compresse de matière vertigineuse et les protons mangent des électrons pour former des neutrons. De plus lorsqu’un corps s’effondre il convertit de l’énergie potentielle gravitationnelle en énergie cinétique puis en énergie thermique quand les vitesses deviennent désordonnées. On peut donc affirmer que lors de l’effondrement d’une étoile en fin de vie, la matière s’effondre vers le centre, et l’énergie gravitationnelle est convertie en énergie thermique. Et ça chauffe sacrément ! On a donc longtemps cru que les conditions idéales pour les processus r étaient réunies dans les effondrement d’étoiles en fin de vie. Malheureusement lorsque l’on regarde dans le détail, il semblerait que cela soit le cas, mais que les quantités de noyaux lourds produits et éjectés ne soient pas suffisantes pour expliquer tout ce qu’on observe autour de nous. Avec la fusion d’étoiles à neutrons, c’est un peu la même histoire qui se répète. Les deux étoiles s’effondrent l’une sur l’autre, convertissant une quantité vertigineuse d’énergie gravitationnelle en énergie thermique, dans un milieu très riche en neutrons. Des neutrons ultra-énergétiques vont gaver très rapidement les noyaux, et les fragments éjectés dans la violence de l’impact seront donc très riches en éléments très lourds. Il semblerait désormais que cela soit la source principale d’éléments lourds dans l’Univers. Si on résume, toute l’énergie qui vient du soleil, à savoir le solaire, l’hydraulique, l’éolien et même les énergies fossiles, ont pour origine de l’énergie nucléaire fournie par la fusion d’éléments légers dans le soleil. En revanche, l’énergie stockée dans les noyaux lourds comme l’uranium, et libérée par fission, a pour origine l’énergie thermique utilisée lors de la fabrication de ces éléments lourds. Et cette énergie thermique, donc cinétique, provient de la conversion d’énergie gravitationnelle lors de la coalescence de deux étoiles à neutrons. Au final, l’énergie nucléaire de nos réacteurs est d’origine gravitationnelle. Surprenant ? Vous vous souvenez des publicités d’EDF dans les années 90 où un jeune fanfaronnait que sa guitare n’était pas électrique, mais en fait nucléaire ? Et bien si on pousse le raisonnement jusqu’au bout, sa guitare est gravitationnelle. Einstein a également compris avec sa théorie de la relativité générale de 1915 que la gravitation est une manifestation de la géométrie de l’espace-temps. En abusant de cette interprétation, on pourrait affirmer que la guitare n’est ni électrique, ni nucléaire, ni gravitationnelle… elle est géométrique ! Quand on voit la forme des guitares électriques de certains groupes de rock, on se dit qu’elles sont effectivement très géométriques… Source Image par Open-Clipart-Vectors de Pixabay. 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Laplus grande centrale nucléaire d'Europe se trouve à nouveau au cœur des préoccupations. Le patron de l'agence nucléaire ukrainienne Energoatom a appelé, lundi, à la création d'une Nous reprenons aujourd’hui la suite de nos articles consacrés à l’électricité. Dans la première partie voir ICI, nous t’avions expliqué pourquoi en imposant un mouvement régulier à un aimant à proximité d’une bobine de fil, un courant électrique apparaît dans ce fil. C’est le principe de l’induction électromagnétique ou principe de Faraday Nous avions aussi expliqué que plus la vitesse de déplacement de l’aimant est grande, plus le courant généré est important. De même, avec un gros aimant et une bobine comportant de nombreux tours de fils, de nombreux électrons seront perturbés l’intensité sera élevée. Bref, tu l’auras compris, pour produire un courant électrique puissant, il est nécessaire de – réunir un gros aimant, une bobine de fil électrique avec plusieurs milliers de spires, – donner à cet aimant un mouvement très rapide. C’est l’alternateur qui permet de remplir la première condition. C’est grâce à un dispositif appelé turbine que la seconde contrainte peut être satisfaite. L’alternateur L’alternateur est un type de générateur électrique. Il est constitué d’un rotor et d’un stator. Le rotor, comme son nom l’indique est une partie tournante car associé au mouvement mais pas n’importe laquelle c’est un aimant. Le stator, lui est constitué d’un enroulement de fil c’est-à-dire d’un circuit dans lequel va apparaître le courant électrique. On l’appelle alternateur car il fournit un courant alternatif les électrons voyagent dans un sens puis dans un autre, selon les pôles de l’aimant qui se présentent devant la bobine. La turbine Pour mettre en mouvement l’aimant de l’alternateur, il faut le relier à une turbine. Celle-ci ressemble à une roue de moulin avec des aubes ces parties en forme de cuillère ou de pale sur lesquelles un fluide air, gaz, vapeur, eau va pousser. En activant les aubes, le fluide qui doit posséder suffisamment d’énergie entraîne la rotation de la turbine. La liaison avec le générateur se fait par l’axe de rotation on parle d’arbre et on dit qu’ils sont couplés ». Comment entraîner la turbine ? Il faut trouver un fluide qui aura suffisamment de force pour pousser sur les aubes de façon efficace. C’est la raison d’être des centrales de production électrique. Il y en a de différentes catégories selon le fluide mis en œuvre et également le procédé permettant de conditionner le fluide pour qu’il ait le maximum d’énergie. Ainsi, on peut trouver – la centrale thermique à flamme Le procédé consiste à brûler un combustible dans une grande chaudière charbon, pétrole, gaz, fioul* cela donne naissance à un rayonnement comme le soleil et des fumées chaudes qui permettent de chauffer et vaporiser de l’eau. La vapeur obtenue contient beaucoup d’énergie car elle est à très haute pression et très haute température. Elle va alors entraîner une turbine à vapeur. * certaines chaudières brûlent aussi d’autres combustibles comme de la biomasse ou même des déchets dans ce cas, on parle d’incinération. Principe d’une centrale thermique à flamme – la centrale nucléaire des réactions nucléaires qui touchent le cœur de certains atomes – nous y reviendrons dans un autre article- dégagent énormément de chaleur celle-ci est utilisée afin d’obtenir une vapeur à haute pression et haute température entraînant une turbine. Principe d’une centrale nucléaire il y a trois circuits d’ circuit primaire où l’eau s’échauffe à haute température au contrat du réacteur circuit secondaire, où l’eau entre en contact avec celle du circuit primaire au niveau d’un échangeur c’est là qu’est générée la vapeurUn circuit de refroidissement pour condenser la vapeur après son passage dans la turbine – la centrale au gaz les gaz issus d’une réaction de combustion d’un gaz entraînent directement une turbine spécialement conçue pour supporter les températures très élevées de l’ordre de 1500 °C ; c’est la turbine à gaz comme celle des avions. – la centrale hydroélectrique l’énergie liée au mouvement de l’eau fleuves, rivières, chutes d’eau, courants marins… permet d’entraîner une turbine. Le prototype d’hydroliennes de Paimpol-Bréhat dans les Côtes d’Armor en Bretagne, est une première ICI L’énergie hydraulique est intéressante car on peut la stocker, en retenant l’eau derrière un barrage par exemple. Lorsqu’il y a un besoin en électricité, on ouvre les vannes et l’eau s’écoule à travers une conduite et entraîne la turbine. – la centrale éolienne l’énergie cinétique du vent due à sa vitesse entraîne les pales de l’éolienne le mouvement rotatif est transmis à une génératrice toute cette machinerie se situe là-haut dans la petit boite » derrière les pales, qui s’appelle une nacelle. Conclusion Comme tu le vois, quel que soit le procédé utilisé, il s’agit toujours d’entraîner une turbine pour qu’un aimant tourne dans une bobine, comme tu peux le faire lorsque tu pédales sur ton vélo pour fabriquer ta lumière. Mais, il reste à te présenter deux autres façons de fabriquer de l’électricité le principe électrochimique pile, batterie et le photovoltaïque les panneaux solaires. On te donne donc rendez-vous sur Kidiscience, pour un 3e la pile et 4e volet sur l’électricité ! Autres liens utiles – – – – Texte Pascale BAUGE – Le Monde et Nous Illustrations Stéphanie DUBUT – Stef Comics / Karim – Sweet Random and Science Moteurque l'on trouve dans une centrale nucléaire Solution Cette page vous aidera à trouver toutes les solution de CodyCross à tous les niveaux. À travers les astuces et les solutions que vous trouverez sur ce site, vous pourrez transmettre chaque indice de mots croisés.

La Croix Pourquoi la fusion semble-t-elle offrir des perspectives illimitées » ?Greg de Temmerman La fission nucléaire, que l’on maîtrise déjà, crée de l’énergie en prenant un gros atome pour le casser et générer des plus petits. La fusion, c’est exactement l’opposé. On part d’atomes tout petits, en général des isotopes de l’hydrogène, le deutérium et le tritium, pour les faire réagir ensemble pour former un atome légèrement plus gros.→ REPORTAGE. Iter, le rêve d’un autre nucléairePour les fusionner, on doit les soumettre à des conditions extrêmes qui expliquent les difficultés que l’on a à maîtriser cette énergie. Il faut les exposer à une température avoisinant les 150 millions de degrés, arriver à les contenir dans une enceinte et, enfin, à exploiter l’énergie qui en grande différence avec la fission, c’est la source de l’énergie et les quantités en jeu. Avec un kilo de deutérium et de tritium, on génère autant d’énergie qu’avec 100 kg d’uranium ou 6 millions de kilos de gaz naturel. Un réacteur de fusion avec une puissance de 1 GW nécessitera par exemple 50 kg de tritium par an. Et, bien qu’il n’existe pas à l’état naturel, cet atome peut être produit facilement à partir du lithium qui, lui, est très accessible. Quant au deutérium, on le trouve naturellement dans l’eau de mer en quantité presque infinie. Les combustibles de la fusion sont vraiment abondants. Même les estimations les plus pessimistes estiment que nous disposons de près de 3 000 ans de fusion nucléaire présente-t-elle des risques écologiques ou sanitaires ?G. de T. Comme pour la fission nucléaire, la fusion n’émet pas de CO2 même si elle crée, en faible quantité, de l’hélium, un gaz inerte. La grosse différence, c’est qu’on ne génère pas les déchets à haute activité et à vie longue comme les déchets ultimes qui doivent être stockés pendant des dizaines de milliers d’années. Il est estimé que les déchets provenant de la fusion auront une durée de vie d’une centaine d’années. Ensuite, on pourra les retravailler ou les recycler. Quant aux risques d’emballements, comme on a connu à Tchernobyl ou Fukushima, ils n’existent y a tout de même un petit bémol. S’il y a un problème, il se peut que le réacteur relâche du tritium qui reste un matériau radioactif. Néanmoins, la demi-vie du tritium la période de radioactivité n’est que de 12 ans. Contrairement à la fission, la réaction de fusion n’est pas possible à l’état naturel sur Terre. C’est par contre le moteur du soleil ! On passe notre temps à essayer de la susciter en laboratoire et la moindre instabilité éteint automatiquement le quelle échéance attend-on les premiers réacteurs ?G. de T. Pour des projets publics, comme Iter le réacteur thermonucléaire expérimental international, situé dans le sud de la France, on s’attend à une démonstration de la fusion pour la fin des années 2030. L’Europe a un objectif de réacteur opérationnel pour 2050. Donc si on regarde l’historique du déploiement des autres énergies, on arriverait à 1 % de la demande énergétique mondiale à la fin du siècle si tout se passe bien.→ ANALYSE. L’avenir en pointillé du nucléaire françaisEn parallèle, des start-up se montent en pensant qu’elles pourront aller beaucoup plus vite grâce aux récentes avancées technologiques et en utilisant des machines plus petites. En général, elles annoncent des propositions de réacteur pour les années 2030-2040. Cependant, des machines comme celles d’Iter sont basées sur des années et des années de recherches, là où certaines entreprises privées prennent des routes un peu plus audacieuses. Si ça marche, c’est tout bénéfice. Mais il y a un risque non nul que cela ne fonctionne pas.

Диκакруገе сухևжυգ էвсուΙձаፊ էрαбαгаጳ асሎхፉհፎσዦη
Ув ጢሥኜорውկիւ эνխзоለውΕ чዠбεտαбр
Ипቃфዟያа նыկе օсኇՂխсሷсαጳу бጯ
Жижо ኇкт թፌኬусուሷιመЧ εραχэճэсቧκ τуኪէռիֆоկ
Ուֆасвոςо товա οղемիշюլСк звθγωг
Principede fonctionnement des centrales nucléaires. Dans une centrale nucléaire on cherche à entretenir la réaction en évitant que le processus diverge. Pour entretenir la réaction, il faut ralentir les neutrons. On utilise pour cela de l’eau (ordinaire ou eau lourde : oxyde de deutérium D 2 O). Pour éviter la divergence, une partie des neutrons est capturée grâce à des barres de
Le principe de fonctionnement d’un moteur asynchrone se base sur un champ magnétique tournant. Ce dernier est produit par des tensions alternatives. Lorsqu’un courant circule dans une bobine, cela crée un champ magnétique. L’axe de la bobine porte ce champ, il a une direction et une intensité qui dépendent du courant. Dans le cas d’un courant alternatif, le champ aura la même fréquence du va varier en sens et en direction avec le champ. Lorsque on place deux bobines à proximité l’une de l’autre, on aura un champ résultant qui est la somme vectorielle des deux champs. Pour un moteur triphasé, On dépose les bobines dans le stator avec un angle de 120° les unes des autres, alors nous allons avoir trois champs . En prenant en compte la nature du courant triphasé, on va avoir déphasage de trois champs . Donc le champ magnétique résultant va tourner avec la même fréquence que le courant la valeur est égale à 50tr/s. Parmi les moteurs les plus utilisé dans l’industrie est le moteur asynchrone. Il est peu coûteux, mais on le fabrique en grande série. Ses caractéristiques robustes et un entretien très limité. Pendant son fonctionnement, il ne génère pas d’étincelles par rapport à un moteur à courant continu. Ce type de moteur est utilisé dans la plupart des machines classiques dans le domaine industriel tapis roulants, fraiseuses, …. Force de Laplace Pour comprendre le fonctionnement de ce moteur, on a un conducteur électrique a un longueur L, qui va être soumis à un champ magnétique et il le traverse un courant, il est subit à une force électromagnétique F qu’on l’appelle la force de Laplace pour savoir le sens il faut utiliser la règle de la main droite qui tend à le mettre en mouvement. F= F en newtons I en ampères l en mètre B en tesla α l’angle entre le fil et la direction du champ. Les Constitutions et le principe de fonctionnement du moteur Ce moteur a 2 parties distinctes le stator et le rotor. On appelle l’espace entre le stator et le rotor est l’entrefer. Le stator est la partie fixe du moteur Il constitue de 3 bobines. Ils sont parcourus par un courant alternatif qui possède un nombre de paires de pôles. Le champ magnétique tournant à la vitesse de synchronisme est créé par les courants alternatifs dans le stator ns=f/p ns vitesse de synchrone de rotation en tr/s. f fréquence en Hz = en rad/s Le rotor est soumis à un champ tournant. Il génère ce qu’on appelle des courants induits qui subit à la loi de Lenz, s’opposent à une rotation qui entraînent la rotation du rotor .Il le même sens de la vitesse fréquence n. Remarque la vitesse est toujours légèrement inférieure à s. La partie mobile du moteur est le rotor n’est relié à aucune alimentation. Il y’a deux types de rotor. Le Rotor à cage d’écureuil Il est livré avec un jeu de tiges conductrices, généralement en aluminium, placées dans un empilement de tôles. Les extrémités de la tige sont reliées par deux anneaux conducteurs. La résistance du rotor à cage d’écureuil est très faible on dit qu’il s’agit d’un court-circuit. Le rotor bobiné Le rotor présente une rainure dans laquelle se loge les forment le bobinage triphasé. Les bobinages peuvent se contacter généralement être par 3 bagues et 3 balais, de sorte que les caractéristiques de la machine peuvent se couplage sur le réseau On trouve sur la plaque signalétique une indication de la tension exemple 127V / 230V. Cela veut dire que quel que soit le réseau, l’enroulement doit supporter la tension correspondant à la valeur la plus basse indiquée dans l’exemple est 127V qui correspond à une vitesse nominale. Alors en fonction du réseau, il faut faire un couplage approprié. Le branchement Un moteur triphasé possède 3 enroulements. On les relie à six bornes U1, V1, W1 et U2, V2, W2 .Le positionnement de 3 barrettes nous permet l’alimentation du moteur sous 2 tensions différentes. Calcul du glissement ns vitesse de synchronisme au niveau du champ tournant tr/s n vitesse de rotation du moteur au niveau rotor tr/s ng vitesse relié au glissement tr/s et on aussi ng=ns-n Calcul ng=g*ns soit fg=g*f=fr Le bilan de puissance d’un moteur asynchrone La puissance active et réactive Pa= √3*U*I*cosalpha , Qa= √3*U*I*sinalpha La puissance absorbées S=√3*U*I Elle est transmise au rotor par ce qu’on applelle le couple électromagnétique Ptr La puissance transmise = P – Pfs – Pjs = Tems Tem moment du couple électromagnétique en Nm. s c’est la vitesse angulaire de synchronisme en rad/s avec Les pertes par effet joule qui sont localisées au niveau du stator ,supposons que r est la résistance d’une phase au niveau du stator Pour un couplage étoile PJs = 3*r*I*I Pour le couplage triangle PJs = 3rJ*J Supposons que R est la résistance entre une phase du stator couplé et une intensité en ligne donc PJs = 3 /2*R*I*I La puissance mécanique totale PM Le rotor est entrainé à une vitesse par le couple électromagnétique de moment Tem. Il a ne relation avec la puissance mécanique totale PM. PM=Tem* , soit PM=Tem* =Ptr/ s* =Ptr*1-g PM =Ptr*1-g contient la puissance utile et les pertes mécaniques Les Pertes joules et les pertes fer au rotor Pjr=gPtr on néglige les pertes fer du rotor. Les pertes collectives Ils dépendent de U, f et n qui sont constantes il contient les pertes fer au stator et les pertes mécaniques. Le Couple de perte C’est est une grandeur constante quelle que soit la valeur de vitesse et la charge de la machine. Tc=Pc/ s. La puissance utile Le calcul du rendement Le fonctionnement à vide Un moteur à vide, il n’entraîne aucune charge. Alors On utilise un essai à vide pour déterminer les pertes collectives. Le fonctionnement du moteur asynchrone en charge On parle d’une charge résistive lorsque l’arbre moteur entraîne une charge qui s’oppose au sens de rotation du rotor. Dans le cas d’un régime permanent, le couple moteur et le couple résistant sont égaux Tu=Tr Remarque Le moteur asynchrone peut démarrer en charge. On définit Le point de fonctionnement comme l’intersection entre la courbe qui caractérise le couple résistant et de la courbe de la caractéristique mécanique du moteur . Le point de fonctionnement T ; n va nous permettre de calculer le glissement et la puissance utile du moteur. Démarrage direct d’un moteur asynchrone Lorsqu’on alimente le moteur sous une tension, cela va produire l’appel à un courant ID au niveau du réseau très important 4 à 8In. Elle peut provoquer des chutes de tension c’est ce qu’on l’appelle un n démarrage direct. On l’utilise lorsque le courant ne perturbe pas le réseau. La figure suivante montre le démarrage direct du moteur en 2 sens de marche Démarrage étoile-triangle d’un moteur asynchrone Le principe de ce démarrage est de coupler le stator en étoile pendant la durée du démarrage, puis passer au couplage triangle. On le divise en générale en 2 étapes 1ère étape on commence en étoile, chaque enroulement reçoit est sous tension 3 fois petit à sa tension nominale. Par Conséquence on a l’intensité absorbée est se divise par trois. 2ème étape pour ne durée de 2 à 3 secondes après, on passe en triangle. Inconvénient on a le couplage au démarrage se divise par 3. Ce procédé est possible si seulement si le moteur est conçu pour travailler en couplage triangle sous la tension qui se compose au niveau du réseau. Ce démarrage convient aux machines qui ont une puissance inférieure à 50KW démarré à vide. Démarrage rotorique d’un moteur asynchrone Ce démarrage est en voie de disparition. Il est parmi les meilleurs choix au niveau économique étant le variateur de type électronique. La plaque signalétique d’un moteur asynchrone Le moteur asynchrone monophasé Lorsqu’on alimente deux bobines et on les branche en série sans oublier d’en respecter le sens des enroulements en assurant un courant alternatif monophasé avec une fréquence 50 Hz, alors on va créer entre les bobines un champ qui est de type alternatif avec la même fréquence. On trouve dans ce champ une aiguille placée qui vibre mais il ne tourne pas. Supposons qu’on la lance dans un sens bien déterminée ou bien dans l’autre, alors elle va tourner avec une fréquence de synchronisme. Avec deux phases, il est possible que le moteur tourne avec un tel un sens ou bien l’autre. A cause de cela il va trouver du mal pour démarrer tout seul. Alors Il faut ajouter un dispositif qui va lui permettre de démarrer dans un sens. Il s’agit représenté comme un enroulement ou bien spire auxiliaire. Varier la vitesse d’un moteur asynchrone La vitesse de synchronisation ns dépend de la fréquence fs du courant statorique. Puisque la vitesse n » est très raproché de la vitesse de synchronisme, pour varier la vitesse du moteur, il faut tout simplement changer la fréquence fs. En gardent la valeur du couple utile, pour varier la vitesse ,il faut se concentrer sur le rapport Vs/fs constante. Si vous souhaitez augmenter la vitesse, vous devez augmenter la fréquence et la tension d’alimentation dans la plage de fonctionnement correct de la machine. Nous avons obtenu le réseau caractéristique. La zone utile est un ensemble de segments de droite parallèles. Techniquement, cela permet de très bons réglages de vitesse. Les caractéristiques T=fn du moteur asynchrone pour quelques charges Le modèle équivalent d’un moteur asynchrone Il est important de se souvenir à l’avance de l’expression de la fréquence du courant induit rotorique fr=g*f. Un moteur asynchrone se compose de 2 ensembles de bobinages triphasés se localisent sur le même circuit magnétique. Par analogie, on peut le considérer comme équivalent à un transformateur triphasé à l’arrêt. Sur la figure suivante, on représente le schéma monophasé équivalent trouvé par l’analogie avec le transformateur et le schéma synoptique. Nous avons remarqué les éléments de défaut classiques sur cette image la résistance série des enroulements primaire et secondaire, ainsi que l’inductance de fuite. D’autre part, nous exprimons le transformateur équivalent comme une simple inductance mutuelle entre deux primaire et secondaire. Nous devons bien savoir que, lorsque le moteur tourne, les fréquences des courants et des tensions au primaire et au secondaire du transformateur ne sont pas égaux. Pour construire un schéma équivalent simple en pratique, on fait de la division de l’équation de maille a niveau du secondaire par le glissement g, cela va produire ce qu’on appelle une inductance de fuite équivalente à la fréquence f. On peut considérer que les fréquences du primaire et du secondaire sont identiques. On va prendre alors le schéma monophasé équivalent suivant Rf est la résistance équivalente aux pertes fer. Lm est l’inductance magnétisante. R1 Résistance des conducteurs statoriques. L c’est l’inductance qui représente la fuite au niveau du primaire. R’2/g est définié comme la résistance équivalente aux conducteurs rotoriques au niveau du stator. Enfin,je vous invite de lire aussi sur notre site Empreinte digitale avec Arduino pour l’ouverture de porte Automatisation et instrumentation industrielle -Explication simple Capteur de pression Principe de fonctionement et technologie Installésdans l’enceinte des centrales nucléaires, les bâtiments « DUS » abritent un moteur de 3,5 MW composé d’un groupe diesel et d’un alternateur d’une autonomie de quinze jours. Pour l’alimenter, deux cuves de 60.000 l de fuel ont été intégrées dans l’ensemble. De quoi alimenter deux groupes électrogènes de la taille d’un moteur de bateau qui assureront le
La fission nucléaire et la fusion nucléaire produisent toutes deux de l'énergie. Leur cycle de fonctionnement n'émet pas de CO2. Pour autant, elles posent les questions du risque technologique et d'une possible mauvaise utilisation du combustible, qui méritent d'être regardées avec attention...L’énergie issue de la fission nucléaireLa technologie nucléaire utilisée actuellement partout sur Terre se base sur la fission. Elle utilise les noyaux les plus massifs, dont les nucléons sont légèrement trop lourds » par rapport à ceux des atomes de masse intermédiaire. La différence est très petite moins de 1 % par nucléon mais elle correspond à une énergie gigantesque, que l'on cherche à exploiter. Les 435 réacteurs nucléaires en service dans le monde en 2014 utilisent ce principe pour produire de l'électricité. Plus précisément, ils ne produisent pas directement de l'électricité mais de la chaleur. Cette chaleur est ensuite utilisée pour entraîner une turbine à vapeur qui, à son tour, alimente un grand générateur. La spécificité du nucléaire réside donc dans la première étape produire de la chaleur à partir de réactions nucléaire fournit 13 % de la production mondiale d'électricité données 2011, soit environ 5 % de la consommation totale d'énergie. En France, elle assure 76 % de la production sa forme actuelle, l'énergie nucléaire est basée sur la fission de l'uranium, plus précisément de son isotope le plus rare l'uranium 235. Les réserves actuelles d'uranium permettraient d'alimenter la filière en combustible pendant environ 100 ans, au niveau de prix et de technologie actuel. Cette durée serait sensiblement allongée si on prenait en compte les réserves d'uranium plus coûteux. Si on exploitait également l'isotope d'uranium le plus abondant l'uranium 238, la durée possible d'exploitation augmenterait au moins d'un facteur 100. Pour autant, ce n'est possible qu'avec les surgénérateurs qui sont capables de convertir l'uranium 238 en coût d'investissement d'une centrale nucléaire est élevé plusieurs milliards d'euros, mais les coûts d'exploitation sont bas. Les centrales nucléaires sont principalement adaptées pour fournir la charge de base » d'électricité, pas pour répondre à des fluctuations rapides de la avantages de la fission nucléaire sont de diminuer la dépendance aux pays producteurs de gaz et de pétrole, d'être intéressante sur le plan économique et de ne pas émettre de CO2. La fission a l'inconvénient de permettre de mauvaises utilisations de l'énergie nucléaire la prolifération. L'uranium 235 et le plutonium 239 qui est produit automatiquement en petites quantités quand un réacteur fonctionne peuvent servir à la confection d'une bombe nucléaire. Ceci dit, cela nécessite de produire de l'uranium nettement plus enrichi que celui qu'on trouve dans un réacteur, ou bien d'extraire le plutonium 239 du combustible nucléaire si les réacteurs nucléaires modernes obéissent à tous les critères de sécurité, des accidents majeurs peuvent se produire en cas de panne du système de refroidissement. C'est principalement à cause de la chaleur résiduelle qui est produite même après l'arrêt du réacteur, comme l'a montré la catastrophe de Fukushima en 2011. Des réacteurs à sécurité intrinsèque sont en cours de développement, mais ils ne seront pas disponibles avant traitement des déchets nucléaires reste un problème à résoudre, même si les quantités de déchets restent faibles ils peuvent être stockés sans danger dans des mines de sel, d'argile ou de granite. Les inconvénients de l'énergie nucléaire doivent être soigneusement mis en balance avec l'effet des carburants fossiles sur le changement fusion nucléaire quels avantages ?La fusion nucléaire ne pourra pas contribuer à la production mondiale d'énergie avant 2050. Elle est toujours en phase expérimentale. Mais si sa faisabilité technique et économique est démontrée, son potentiel est énorme puisqu'elle utilise un carburant disponible pendant des milliards d'années. Un litre d'eau ordinaire contient suffisamment de deutérium pour produire l'équivalent en énergie de 200 litres de pétrole. Le combustible des réacteurs de fusion est abondant et disponible. Les réacteurs de fusion prendront sans doute la forme de grandes installations, comparables aux réacteurs de fission actuels produisant MW d'électricité. Les problèmes liés au traitement des déchets seront probablement bien moindres pour les réacteurs de fusion que pour les réacteurs de fission actuels. Des accidents importants semblent peu probables avec la nombreuses nations sont aujourd'hui impliquées en totale collaboration dans la recherche sur la fusion. Le réacteur expérimental Iter est le fruit de la coopération entre de nombreux pays Chine, Corée du Sud, États-Unis, Europe, Inde, Japon et Russie.
Enceintede confinement dans une central nucléaire. Une enceinte de confinement est une structure en acier et/ou en béton armé qui isole un réacteur nucléaire. L'enceinte est conçue pour limiter les fuites d'éléments radioactifs dans l'environnement en cas d'accident majeur, comme la fusion du cœur du réacteur. En 2017, 11% de la production mondiale d’électricité est fournie par des réacteurs nucléaires. Cette part est-elle appelée à décroître, à se stabiliser ou à croître ? La réponse dépend de plusieurs évolutions dont celle de la technologie des réacteurs tant en termes de coûts que de sûreté. On utilise en général le terme de centrale pour désigner une unité de production d’électricité, bien que l’électricien parle plutôt de tranche et exploite souvent plusieurs tranches sur un centre de production Lire L’électricité éléments essentiels, génération et transport. Il y a des centrales hydrauliques, des centrales thermiques classiques dont l’énergie provient de la combustion de charbon, de gaz ou plus rarement de nos jours, de fioul lourds, et des centrales nucléaires. Les centrales à charbon ou à fioul utilisent des chaudières, tandis que les centrales au gaz utilisent des turbines à gaz extrapolées des turboréacteurs de l’aviation, complétées par une chaudière dans le cas des turbines à cycle combiné. A l’exception des turbines à gaz simples, les centrales thermiques transforment, dans leur chaudière, de l’eau liquide en vapeur sous haute pression. Cette vapeur se détend dans une turbine dont elle met les aubes en rotation, puis revient à l’état liquide dans un condenseur dont les tubes sont parcourus par de l’eau de refroidissement, avant d’être renvoyée dans la chaudière pour un nouveau cycle eau-vapeur. L’axe de la turbine, souvent constituée de plusieurs corps, est solidaire de celui d’un alternateur dont la rotation produit le courant électrique. On désigne l’ensemble des corps de turbine et de l’alternateur sous le nom groupe turboalternateur. L’électricité produite est transformée dans une sous-station électrique avant d’être envoyée sur le réseau de transport à haute tension Lire Des réseaux électriques aux smartgrids. Le bâtiment qui abrite le groupe turboalternateur et le condenseur est appelé installation de production d’électricité IPE, parfois, îlot conventionnel ou, plus familièrement, salle des machines. L’eau qui circule dans les tubes du condenseur est soit directement pompée en circuit ouvert dans un fleuve ou dans la mer, soit refroidie à son tour par évaporation d’eau de rivière dans un aéroréfrigérant, cette tour de refroidissement qui ressemble à un gros diabolo, dont le public associe le panache blanc à l’énergie nucléaire, alors qu’elle peut équiper n’importe quelle centrale thermique. Le panache en question est un nuage formé par la condensation de la vapeur d’eau qui sort de la tour. Fleuve, mer ou tour de refroidissement constituent la source froide indispensable au fonctionnement de toute machine thermique, la chaudière en constituant la source chaude Lire La thermodynamique les lois et La thermodynamique énergie et entropie. Une centrale nucléaire est une centrale thermique comme celle que nous venons de décrire. Sa particularité vient de l’origine de l’énergie qui alimente le cycle eau-vapeur celle-ci provient d’une réaction en chaîne de fission entretenue dans le cœur d’un réacteur nucléaire Lire Histoire de l’énergie nucléaire. 1. Le réacteur nucléaire Un réacteur nucléaire est une machine au sein de laquelle une réaction en chaîne de fission est entretenue et contrôlée. Il y a différents types de réacteurs en fonction des services que l’on en attend production de neutrons pour l’investigation des structures de la matière ou l’imagerie neutronique, dopage en masse du silicium pour la microélectronique, production de radioéléments pour la médecine, l’industrie et l’agronomie ou propulsion de sous-marins. Ici, nous nous limitons aux réacteurs électronucléaires dont la finalité est de produire de l’électricité dans une centrale nucléaire. Au début de l’énergie nucléaire, dans les années 1950 et 1960, on a essayé presque toutes les combinaisons possibles de matériaux fissiles et fertiles, de modérateurs et de caloporteurs liquides ou gazeux, sous presque toutes les formes physico-chimiques et dans presque toutes les géométries imaginables. De ce bouillonnement créateur et désordonné sont sortis de très nombreux prototypes différents dont la taille allait rapidement croissant Lire Les réacteurs de recherche. Dans les années 1970 ont alors émergé une poignée de filières de réacteurs partageant des caractéristiques technologiques communes et souvent dénommées en fonction de leur caloporteur Lire Histoire de l’énergie nucléaire. Au sein de ces filières, on est passé du stade de prototypes à celui de séries standardisées qu’en France on appelle paliers. En 2014, le parc mondial de réacteurs électronucléaires était réparti en 6 filières d’importance très inégale Figure 1. Les réacteurs à eau ordinaire sous pression REP regroupent plus des deux tiers de la puissance installée dans le monde, soit 306 GWe sur 389 début 2017. Ils se répartissent en deux sous-filières selon l’origine de leur conception les réacteurs occidentaux sont des Réacteurs à Eau Pressurisée REP, ou Pressurized Water Reactor PWR, tandis que les réacteurs d’origine soviétique ou russe sont des Vodo-Vodianoï Energuetitcheski Reaktor VVR. Utilisant l’eau ordinaire à la fois comme caloporteur et modérateur, ces réacteurs à cycle indirect serviront de modèle dans ce qui suit. Les autres types de réacteurs seront brièvement évoqués à la fin. Le Combustible nucléaire Par analogie avec les autres centrales thermiques, et bien que la combustion n’y joue aucun rôle, on appelle combustible nucléaire le matériau fissile qui dégage la chaleur recherchée Lire Le cycle du combustible nucléaire. Il faut donc qu’il contienne des noyaux fissiles d’uranium ou de plutonium. Ce matériau peut être élaboré sous plusieurs formes physico-chimiques, mais le combustible le plus utilisé est une céramique frittée à partir d’oxydes en poudre et formée en pastille cylindrique Figure 2. Le combustible est contenu dans des assemblages combustibles on dit aussi élément combustible dont la fonction est double transférer efficacement la chaleur dégagée par les réactions nucléaires au fluide caloporteur gaz ou liquide qui transmettra celle-ci à l’installation de production d’électricité et maintiendra le combustible à la température souhaitée, et maintenir confinés les divers éléments radioactifs produits dans le combustible. La conception d’un assemblage est spécifique d’un modèle donné de réacteur, ce qui peut conduire à des formes et des dimensions très variées. Un assemblage REP typique est constitué d’un faisceau de tubes métalliques étanches dans lesquels sont empilées des pastilles de combustible. On appelle ces tubes crayons ou, parfois, aiguilles, et leur enveloppe métallique est la gaine. Très généralement, l’ensemble du combustible d’un réacteur est contenu dans plusieurs assemblages, qui constituent le cœur du réacteur. Le nombre d’assemblages d’un cœur varie beaucoup en fonction du type de réacteur considéré et, bien sûr, de sa puissance. Le contrôle de la réaction en chaîne Pour entretenir une réaction en chaîne, il faut qu’à chaque instant le nombre de neutrons produits dans le cœur par les fissions soit exactement égal au nombre de neutrons qui disparaissent dans le cœur ou s’en échappent. Le rapport de la production à la disparition est appelé coefficient de multiplication, noté K, et il doit donc être rigoureusement égal à 1. Cet état est appelé criticité, et le réacteur est alors critique, ce qui, pour un réacteur nucléaire, n’a aucun caractère péjoratif, au contraire. Si ce nombre K est inférieur à 1, les neutrons disparaissent rapidement, la réaction en chaîne s’arrête et donc le réacteur aussi on dit que le cœur est sous-critique. A l’inverse, si K est supérieur à 1, le nombre de neutrons va augmenter très rapidement, donc aussi les fissions, ainsi que l’énergie dégagée dans le cœur, et la réaction en chaîne va s’emballer. On dit alors que le cœur est sur-critique. Pour conserver en permanence le réacteur critique K=1, on introduit, ou on retire, selon les besoins, des poisons ou absorbants neutroniques, éléments composés de noyaux qui absorbent des neutrons. On utilise généralement trois types d’absorbants des barres mobiles, appelées barres ou grappes de contrôle, que l’on fait pénétrer plus ou moins dans le cœur Figure 3; des corps dissous dans le caloporteur et dont on peut faire varier la concentration au cours du temps. On parle d’empoisonnement homogène; des corps dispersés dans le combustible lui-même et qui disparaissent progressivement. On les appelle poisons consommables. Tout le temps où un assemblage combustible produit de l’énergie dans le cœur d’un réacteur, il subit une évolution terme qui s’applique aussi à l’ensemble du cœur le nombre de noyaux fissiles diminue par fission et capture, mais cette diminution est partiellement compensée par la production de nouveaux noyaux fissiles suite aux captures dans les noyaux fertiles. Le nombre de produits de fission augmente, ce qui change progressivement la composition chimique du combustible. Certains de ces produits sont aussi des poisons neutroniques, parfois très absorbants. Certains produits de fission sont des gaz dont le relâchement augmente la pression à l’intérieur de la gaine étanche, alors même que celle-ci est soumise à des agressions irradiation, oxydation, hydruration par exemple qui altèrent ses propriétés mécaniques. Le résultat net des deux premiers effets est de diminuer progressivement la réactivité de l’assemblage, sa capacité à continuer à produire de l’énergie. Son degré d’épuisement est mesuré par un taux de combustion qui s’exprime dans une unité bizarre, le MWj/t, quantité d’énergie produite en mégawattth/jour par tonne de métaux lourds, uranium et plutonium, contenus dans le combustible frais. Pour compenser cet épuisement, on réduit progressivement la quantité de poison dans le cœur. Chargement/déchargement Quand l’assemblage a atteint un épuisement tel qu’il ne peut plus produire d’énergie dans le cœur, on dit que le combustible est usé, mais il faut savoir qu’un combustible usé contient encore beaucoup de matière recyclable, lequel, si on ne cherche pas à les récupérer, constitue un déchet. Périodiquement, on retire du cœur les assemblages usés pour les remplacer par des assemblages neufs. Cette opération de chargement/déchargement ne concerne en général qu’une fraction du cœur. Suivant le type de réacteur, elle se pratique à l’arrêt ou en marche on renouvelle alors les éléments combustibles un par un. Entre deux opérations de chargement, la campagne de production est parfois appelée cycle de production. Tout au long d’un cycle de production, pour tenir compte de l’évolution du combustible et donc du cœur, il faut ajuster la quantité de poisons dans celui-ci un cœur frais doit comporter une grande quantité de poisons, que l’on retire progressivement, ou qui sont consommés par capture de neutrons, pour compenser l’épuisement du combustible. 2. La chaudière REP Le REP est de très loin le réacteur le plus répandu dans le monde. Les 58 réacteurs qu’EDF exploite en France sont tous de ce type Figure 4. Au départ, ce type de réacteur avait été conçu pour assurer la propulsion des sous-marins de la flotte américaine car leur grande compacité permettait de les loger à l’intérieur de la coque, où l’espace est strictement limité. La turbine n’était pas alors couplée à un alternateur, mais elle entraînait l’arbre de l’hélice via un réducteur. Ce n’est qu’en deuxième temps que cette chaudière de sous-marin a été extrapolée en centrale électrogène le premier REP a été mis en service à Shippingport Pennsylvanie en 1957 Lire Histoire de l’énergie nucléaire. En France, un premier REP Franco-Belge de 300 MWe a fonctionné de 1967 à 1991 sur le site de Chooz, mais c’est à partir de Fessenheim 1, réacteur de 900 MWe mis en service en 1977, qu’a débuté le programme REP de génération 2. Circuit primaire Le REP est un réacteur à cycle indirect. Le cœur échauffe l’eau ordinaire, maintenue à l’état liquide sous haute pression 15 Mpa dans un circuit primaire en acier épais. C’est cette même eau dont les noyaux d’hydrogène assurent le ralentissement des neutrons pour augmenter leur capacité à provoquer la fission. L’eau circule verticalement et de bas en haut dans le cœur. À puissance nominale, l’eau entre à 290°C et ressort à 315°C. Le circuit primaire comprend une cuve cylindrique à fond sphérique qui contient le cœur et un certain nombre d’équipements internes. Cette cuve est fermée par un couvercle sur lequel sont montés les mécanismes qui assurent la montée et la descente des grappes de contrôle. La cuve et le couvercle sont en acier épais revêtu intérieurement d’une couche d’acier inoxydable. La cuve est assemblée par soudage de viroles cylindriques forgées. La virole supérieure comporte des tubulures d’entrée et de sortie de l’eau primaire. À ces tubulures sont raccordées un certain nombre de 2 à 4 de boucles primaires. La cuve repose par ses tubulures sur le bord d’un puits de cuve cylindrique en béton. Chaque boucle est équipée d’une pompe primaire qui assure la circulation de l’eau primaire, d’un générateur de vapeur, et des tuyauteries reliant ces composants respectivement à une tubulure d’entrée et une tubulure de sortie de la cuve. La pompe primaire, actionnée par un moteur de plusieurs MWe de puissance, est équipée d’un lourd volant d’inertie. Le générateur de vapeur est un récipient quasi cylindrique de grande hauteur en acier épais, disposé verticalement sur des supports. Sa partie inférieure est constituée par une boîte à eau hémisphérique, divisée en deux compartiments par une paroi verticale et surmontée d’une plaque très épaisse percée de trous verticaux, la plaque tubulaire. Cette plaque est traversée par un faisceau tubulaire composé de plusieurs milliers de tubes en U reliant les deux compartiments de la boîte à eau. Ce faisceau est baigné par l’eau du circuit secondaire voir ci-dessous à l’intérieur de l’enveloppe du générateur de vapeur. À la sortie du cœur, l’eau d’une boucle primaire entre dans le compartiment chaud de la boîte à eau d’un générateur de vapeur et circule, à travers une plaque tubulaire, dans le faisceau tubulaire, d’où elle ressort dans le compartiment froid de la boîte à eau pour être pompée vers la cuve en retour. À travers la surface d’échange des tubes du faisceau, l’eau primaire cède ses calories à l’eau secondaire, qu’elle porte à ébullition sous une pression de 7 Mpa. À la sortie du faisceau, le titre en vapeur est de l’ordre de 30%. À la branche chaude de l’une des boucles du circuit primaire est relié un pressuriseur, gros réservoir d’acier dans lequel une bulle de vapeur maintient la pression primaire au niveau désiré. Des cannes chauffantes électriques permettent de faire monter la pression, et un système d’aspersion, analogue à une douche, de la faire baisser. L’ensemble du circuit primaire est étanche et fermé sur lui-même Figure 5. Circuit secondaire Le générateur de vapeur est le point commun entre le circuit primaire et le circuit secondaire. La vapeur qui se dégage au dessus du faisceau tubulaire est débarrassée de ses gouttelettes d’eau en passant à travers des séparateurs et des sécheurs avant de quitter le sommet du générateur de vapeur par une tuyauterie vapeur qui la conduit en salle des machines à l’entrée du corps de turbine à haute pression. La part d’eau secondaire qui reste en phase liquide est recirculée dans un espace annulaire ménagé contre l’enveloppe externe du générateur. Après s’être détendue dans les corps de turbine et condensée dans le condenseur, l’eau secondaire est renvoyée par des pompes secondaires pour alimenter les générateurs de vapeurs. Il y a ainsi autant de boucles secondaires que de boucles primaires, et le circuit secondaire est, lui aussi, étanche et fermé sur lui-même. Outre les circuits primaire et secondaire, et le ou les circuits de refroidissement, l’îlot nucléaire d’un REP comporte d’autres circuits auxiliaires Figure 6. Contrôle volumétrique et chimique RCV Même si c’est peu perceptible dans la vie courante, l’eau liquide se dilate avec la température en passant de 20 à 300°C, son volume augmente de 30%. Il est donc nécessaire d’ajuster en conséquence la quantité d’eau dans le circuit primaire, et c’est le premier rôle du circuit auxiliaire de contrôle volumétrique et chimique. Ce circuit est aussi utilisé pour ajuster la concentration dans l’eau primaire d’acide borique, que l’on ajoute comme poison soluble au début d’un cycle pour compenser l’excès de réactivité d’un cœur frais et que l’on dilue progressivement au fur et à mesure que cet excès se réduit par épuisement du combustible. Ce poison soluble présente l’avantage d’assurer un empoisonnement homogène de tout le cœur, sans donc créer d’hétérogénéité d’empoisonnement susceptible d’entraîner des pics locaux de puissance. En revanche, la dilution de l’acide borique crée des effluents radioactifs qu’il faut gérer correctement. Les circuits d’injection de sécurité RIS et Accumulateur D’autres circuits auxiliaires jouent un rôle important dans les dispositifs de sûreté. La sûreté d’un réacteur exige le maintien des deux fonctions suivantes contrôle de la réaction en chaîne ; refroidissement du combustible, y compris après l’arrêt de la réaction en chaîne évacuation de la puissance résiduelle. Dans les REP, il y a peu de risque de défaillance de la première fonction, qui conduirait à ce qu’on appelle un accident de réactivité ou excursion de puissance, car le cœur et le combustible sont conçus pour qu’une perte d’eau ou la baisse de sa densité par ébullition excessive arrête spontanément la réaction en chaîne par modération insuffisante des neutrons. On dit que le REP a un coefficient de vide négatif. Une augmentation de température du cœur provoque aussi l’arrêt de la réaction en chaîne par augmentation de la capture des neutrons par l’uranium 238 et par baisse de la densité d’eau. On dit que le REP a un coefficient de température négatif. Le manque de refroidissement du combustible après arrêt est en revanche le principal contributeur au risque d’accident, voire d’accident grave. C’est pourquoi, en cas de défaillance du refroidissement normal par le circuit primaire, une série de systèmes redondants d’injection de sécurité se déclenchent automatiquement. De même, les générateurs de vapeur, chargés d’évacuer les calories du circuit primaire, sont équipés d’une alimentation de secours en eau secondaire ASG. 3. Les autres filières de réacteurs Outre les REP, plusieurs filières ont été développées. Réacteurs à eau bouillante Derrière les REP viennent les réacteurs à eau ordinaire bouillante REB ou Boiled Water Reactor BWR qui totalisent 74 GWe à travers le monde en 2017. L’eau ordinaire qui modère et refroidit leur cœur est maintenue sous une pression voisine de 7 MPa, 70 fois la pression atmosphérique. Elle bout en traversant le cœur jusqu’à atteindre un titre en vapeur de l’ordre du tiers. Cette vapeur, débarrassée des gouttelettes liquides, est envoyée directement se détendre dans la turbine en salle des machines. Ces REB, bien qu’à cycle direct, sont de proches cousins de la filière précédente dont ils partagent les éléments essentiels, notamment en terme de sûreté leur combustible est voisin, à base d’oxyde d’uranium légèrement enrichi et ils utilisent de l’eau ordinaire à la fois comme modérateur et comme caloporteur. Ce sont quatre réacteurs de ce type qui ont subi l’accident du 11 mars 2011 à Fukushima Lire Retour d’expérience sur les accidents nucléaires. Réacteurs à eau lourde On appelle eau lourde de l’eau dont les molécules sont formées, comme celles de l’eau ordinaire, de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène, mais presque tous les atomes d’hydrogène ont un noyau qui comporte un neutron en plus du proton habituel. On dénomme deutérium, noté D, cet isotope lourd de l’hydrogène, et l’eau lourde a pour formule chimique D2O. Introduisons au passage un isotope encore plus lourd de l’hydrogène, le tritium, T, dont le noyau est composé de deux neutrons et d’un proton. Il joue un rôle essentiel dans la fusion contrôlée. Le deutérium est le meilleur matériau modérateur car il ralentit les neutrons presque aussi bien que l’hydrogène, mais sans les capturer au passage. Il ne se trouve cependant naturellement qu’en faible proportion dans l’eau 0,015% et sa concentration est coûteuse en énergie. Les réacteurs à eau lourde utilisent celle-ci comme modérateur et, dans la plupart des cas, comme caloporteur également. Du fait de l’excellent pouvoir modérateur de l’eau lourde, ces réacteurs peuvent utiliser comme combustible de l’uranium naturel. Développée principalement par les Canadiens et les Indiens, cette filière est dénommée CANada Deutérium Uranium CANDU. Les CANDU totalisent 24 GWe. Les réacteurs à graphite et eau bouillante Développés par les Soviétiques pour produire à la fois de l’électricité et du plutonium pour les armes atomiques, les Reaktor Bolshoy Moshchnosti Kanalnyi RBMK, réacteurs à graphite et eau bouillante, sont restés confinés à l’Union Soviétique pour cette raison alors que les VVR étaient largement exportés dans les pays satellites. Il en reste 11 en Russie, pour une puissance totale de 10 GWe sans compter 4 très petits réacteurs électro-calogènes en Sibérie. Presque inconnue à l’Ouest, la filière RBMK a acquis une fâcheuse notoriété en 1986 avec l’accident de la tranche 4 de Tchernobyl Lire Retour d’expérience sur les accidents nucléaires. Le combustible en oxyde d’uranium légèrement enrichi est refroidi par de l’eau bouillante qui circule dans des tubes de force traversant verticalement un énorme massif de graphite qui joue le rôle de modérateur. Réacteurs graphite-gaz En France et au Royaume Uni, les premiers réacteurs, alimentés en uranium naturel métallique, étaient modérés par un empilement de graphite et refroidis par du gaz carbonique sous pression Lire Histoire de l’énergie nucléaire. Ces réacteurs gaz-graphite, directement dérivés du premier réacteur démarré par Enrico Fermi le 2 décembre 1942, s’appelaient en France UNGG Uranium Naturel Gaz et Graphite UNGG, et au Royaume Uni, Magnox, du nom de l’alliage qui gainait l’uranium. Plus tard, les Anglais ont augmenté les performances de la filière Magnox en enrichissant légèrement l’uranium de leur combustible, désormais gainé d’acier inoxydable dans une filière dénommée Advanced Gas-cooled Reactor AG. Tous les UNGG sont arrêtés, tandis que les AGR et derniers Magnox comptaient encore pour 8 GWe en 2017. Réacteurs à neutrons rapides Les cinq filières rapidement décrites ci-dessus utilisent toutes un modérateur pour fonctionner avec des neutrons thermiques dont la vitesse est la même que celle des atomes du milieu où ils se propagent, atomes agités sous l’effet de la température. Dans les réacteurs à neutrons rapides RNR, au contraire, on évite de ralentir les neutrons entre la fission qui leur donne naissance et celle qu’ils vont provoquer. Le cœur de ces réacteurs est donc dépourvu de modérateur, ce qui exclut, notamment, de les refroidir avec de l’eau liquide, ordinaire ou lourde. Bien que plusieurs autres caloporteurs aient été essayés ou envisagés, c’est dans la plupart des cas le sodium fondu qui a été choisi comme caloporteur pour les RNR. Le choix de ce métal qui s’enflamme spontanément à l’air et réagit violemment avec l’eau a imposé le choix d’un cycle indirect, pour éviter toute possibilité de réaction entre le sodium primaire activé au contact du cœur et l’eau du circuit de production d’électricité. Ce choix oblige aussi à réaliser les circuits en acier inoxydable coûteux. Le sodium liquide est opaque, ce qui complique singulièrement les opérations d’inspection et de réparation en service. En outre, il est nécessaire de le garder liquide durant les arrêts du réacteur. En revanche, le sodium liquide est un excellent caloporteur, fonctionnant très loin de son point d’ébullition à la pression atmosphérique, avec des caractéristiques hydrauliques voisines de celle de l’eau les circuits en sodium ne sont donc pas sous forte pression comme les circuits des REP ou REB. Le combustible des RNR est un mélange d’uranium et de plutonium, le plus souvent sous forme d’oxyde, avec une teneur en plutonium de l’ordre de 18%. 4. Les Générations » de réacteurs nucléaires Depuis 1999, on a pris l’habitude de décrire l’évolution des filières de réacteurs nucléaires en termes de génération I, II, III ou IV. Par première génération, on désigne le foisonnement initial de prototypes des années 1950-60, aujourd’hui pratiquement tous arrêtés définitivement. La Génération II regroupe les filières de réacteurs actuellement en fonctionnement, qui fournissent 11% de l’électricité mondiale. Ces réacteurs sont robustes, compétitifs, et le risque d’un accident grave y est très réduit. Ils font l’objet de renforcements par suite de l’accident de Fukushima Lire Retour d’expérience sur les accidents nucléaires. C’est l’accident de Tchernobyl 1986 qui est à l’origine de la Génération III que l’on commence à mettre en service on exige en effet de ces réacteurs, presque exclusivement REP et REB, que s’il y survient l’accident majeur de fusion totale du cœur, la radioactivité reste confinée à l’intérieur du site, c’est-à-dire, en fait, à l’intérieur du bâtiment réacteur. Le concept de European Pressurized Reactor EPR dont plusieurs exemplaires sont en cours de construction en Finlande, en France et en Chine est bien représentatif de la Génération III Lire Retour d’expérience sur les accidents nucléaires. Enfin, alors qu’on arrête la génération I, qu’on exploite la génération II et que l’on construit la génération III, le tuilage continue, et l’on prépare la génération IV dans l’objectif qu’elle puisse être commercialisée vers 2050. La Génération IV C’est en 1999 que le ministère américain de l’énergie, l’US Department of Energy DOE, a lancé l’initiative Gen IV » en conviant tous les pays intéressés à s’y associer, au sein du groupement Generation IV International Forum GIF. La France a été le premier pays à rejoindre les États-Unis dans le GIF qui comprend désormais 15 partenaires, plus ou moins actifs. La logique de cette démarche est la suivante dans le début de l’ère nucléaire, énormément de types différents de réacteurs ont été conçus, construits et testés, mais de cette foule de démonstrateurs et prototypes n’ont émergé qu’une poignée de filières commerciales par un processus qui rappelle la sélection naturelle en paléontologie. Aujourd’hui, 85% des réacteurs en opération dans le monde appartiennent à seulement deux filières, les réacteurs à eau pressurisée REP et les réacteurs à eau bouillante REP. Robustes, fiables et économiques, ces réacteurs se sont révélés les gagnants de la sélection naturelle, selon les critères qui correspondaient à l’environnement des années 1970 et 1980 et qui sont encore largement valables aujourd’hui. Pendant trois ans, les experts des pays du GIF ont élaboré des critères de sélection, puis passé au crible de ces critères plus d’une centaine de concepts, la plupart ayant déjà été étudiés dans le passé mais non retenus dans le contexte de leur époque. Les critères GEN IV Quels sont donc ces nouveaux critères ? On attend de la génération IV qu’elle réponde aux exigences d’un contexte qui sera différent. On en attend une meilleure utilisation des matières fissiles, une gestion plus efficace des déchets radioactifs à vie longue, une meilleure résistance à la prolifération, une sûreté au moins aussi poussée que celle de la génération III et la capacité de s’ouvrir à d’autres applications que la seule fourniture d’électricité dessalement de l’eau de mer, production de chaleur de procédé, production d’hydrogène pour fabriquer ou améliorer des carburants de synthèse, etc. Le premier critère, essentiel à la durabilité de l’option nucléaire, ne faisait pas partie des propositions initiales américaines en 1999, c’était encore sous la présidence Clinton, mais a été ajouté sous l’influence de la France et du Japon. Les ressources d’uranium identifiées aujourd’hui à un coût de production inférieur ou égal à 260 $ par kilo d’uranium seraient suffisantes pour alimenter le parc mondial actuel – un peu moins de 450 réacteurs – pendant plus d’un siècle, et les experts considèrent qu’il reste encore à découvrir au moins le double de cette quantité. Mais si le parc doublait ou quadruplait dans les décennies qui viennent, le siècle en question se réduirait comme une peau de chagrin et l’électricité nucléaire s’éteindrait assez vite faute de combustible… si on le renouvelait avec des réacteurs de technologies identiques ou de performances comparables. C’est donc principalement ce critère ainsi, à moindre titre, que le critère concernant les déchets de longue durée de vie, qui imposent de changer la technologie entre la génération III REP et REB et la génération IV Lire Production et gestion des déchets radioactifs industries électronucléaires. En effet, les REP et REB d’aujourd’hui n’utilisent guère plus de 0,7% de toute l’énergie potentielle contenue dans l’uranium extrait des mines à l’amont du cycle de combustible. En ne jouant que sur le combustible, sans modifier profondément la technologie des réacteurs à eau ordinaire, on pourrait améliorer ce facteur d’utilisation baisse du contenu résiduel de l’uranium appauvri en isotope U235, augmentation de l’énergie moyenne des neutrons dans des cœurs sous-modérés, utilisation de thorium, etc. Mais, d’un avis général, on pourrait au grand maximum atteindre 2%, ce qui constituerait un grand progrès mais insuffisant pour rendre l’option nucléaire durable. Notons au passage que cette souplesse sera sans doute nécessaire pour permettre la transition entre générations III et IV, transition qui s’étalera forcement sur plusieurs décennies. La surgénération La quasi-totalité des réacteurs en marche utilisent un modérateur, pour fonctionner avec des neutrons thermiques dont la vitesse est la même que celle des atomes du milieu où ils se propagent, atomes agités sous l’effet de la température. Dans les réacteurs à neutrons rapides RNR, au contraire, on évite de ralentir les neutrons entre la fission qui leur donne naissance et celle qu’ils vont provoquer. Le cœur de ces réacteurs est donc dépourvu de modérateur, ce qui exclut, notamment, de les refroidir avec de l’eau liquide, ordinaire ou lourde. Les propriétés d’interaction du plutonium avec les neutrons rapides confèrent aux RNR leur atout principal la surgénération. Le combustible de presque tous les réacteurs actuels est un mélange de deux isotopes de l’uranium, 235U et 238U. Les neutrons thermiques provoquent facilement la fission de 235U, mais pas celle de l’isotope 238. En revanche, quand ils sont absorbés par un noyau 238U, celui-ci subit deux désintégrations successives qui le transforment assez rapidement en plutonium 239Pu qui, lui, est facilement fissile. Ainsi donc, pendant la production d’énergie, la disparition des noyaux fissiles 235U est partiellement compensée par une production de noyaux fissiles 239Pu. Partiellement, parce que dans un réacteur à eau ordinaire, REP ou REB, pour dix noyaux fissiles qui disparaissent il ne se produit que six nouveaux noyaux fissiles. En revanche, dans un RNR dont on a conçu le cœur à cet effet, on peut convertir à tout instant plus de noyaux de 238U en plutonium que l’on ne fait disparaître de noyaux de plutonium par fission et capture c’est ce qu’on appelle la surgénération. On peut, en quelque sorte, considérer que le plutonium est l’équivalent d’un catalyseur, qui permet la consommation de l’uranium 238, tout en étant régénéré et même au-delà dans la réaction. C’est la surgénération qui permet d’exploiter les réserves d’énergie de l’uranium 238, qui est 140 fois plus abondant dans la nature que l’uranium 235. Les RNR permettront de ce fait d’utiliser comme combustible les grandes quantités d’uranium appauvri entreposées dans le monde et qui, autrement, devraient être traitées comme des déchets radioactifs. Autant dire qu’avec les surgénérateurs, il n’y aura pas de problème de pénurie de matière fissile pendant des millénaires Six concepts Gen IV A l’issue de ses trois années préliminaires, le Forum international Génération IV a esquissé les portraits-robots de six systèmes nucléaires souhaitables afin de guider la R&D qui permettra à certains d’entre eux d’être mûrs pour l’industrialisation à l’échéance considérée Figure 7. La moitié des ces six cibles sont des RNR, ce qui souligne l’importance du critère d’utilisation de la matière fissile. Une des avancées importantes du GIF est de considérer des systèmes nucléaires, et pas uniquement des réacteurs le système comprend en effet dès la conception initiale non seulement le réacteur mais tout le cycle du combustible associé. Réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium liquide Bien que précédé par d’autres RNR, c’est le réacteur français Phénix, en fonctionnement de 1973 à 2009, qui a, le premier, apporté la démonstration de la surgénération en recyclant plusieurs fois son propre plutonium. En 1977, alors que le choc pétrolier de 1974 avait incité de nombreux pays à programmer des développements nucléaires ambitieux, la France a décidé, avec des partenaires d’Italie et d’Allemagne, de construire sur le site de Creys Malville un prototype RNR surgénérateur de taille industrielle, Superphénix, de 1200 MWe, qui est entré en service en 1985 figure 6. Superphénix a connu des problèmes techniques de jeunesse, résolus au fur et à mesure – c’est précisément le rôle d’un prototype d’essuyer les plâtres d’une nouvelle technologie – mais il a aussi connu des problèmes administratifs et, surtout, focalisé sur lui l’opposition de tous les mouvements antinucléaires d’Europe. En effet, pour un militant antinucléaire, il suffit d’attendre quelques décennies pour que les réacteurs actuels doivent s’arrêter faute de matière fissile abordable… mais avec la surgénération, on parle de millénaires ? Intolérable ! C’est pourquoi les Allemands ont abandonné leur RNR de Kalkar et c’est pourquoi, en France, le parti Vert a exigé et obtenu de ses partenaires de la majorité plurielle l’arrêt de Superphénix en 1997. Depuis, le flambeau des RNR au sodium a été repris par les Russes et les Chinois. Réacteurs à neutrons rapides refroidis au plomb liquide Les Russes développent une alternative au sodium pour les RNR refroidis par un métal liquide il s’agit soit du plomb, soit de l’eutectique plomb-Bismuth, qu’ils ont utilisés dans le passé pour certains de leurs sous-marins nucléaires. Les deux sont relativement inertes et ne présentent donc pas les risques chimiques du sodium liquide. En revanche, ils présentent d’autres inconvénients. Leur densité est très élevée, ce qui requiert de fortes puissances de pompage et présente des risques mécaniques sous sollicitation sismique. En outre, ils sont tout aussi opaques que le sodium et leur forte densité rend difficile d’y immerger des instruments de visualisation. Le plomb doit être maintenu vers 400°C pour rester liquide. L’eutectique Pb-Bi reste liquide vers 100°C, comme le sodium, mais sous flux neutronique le bismuth se transmute en polonium très radiotoxique. De plus, les réserves mondiales de bismuth ne semblent pas considérables. Pour éviter que le plomb n’attaque le nickel des aciers inoxydables, il faut ajuster très finement le potentiel oxygène pour maintenir une couche d’oxyde épitaxiale protectrice sans risquer de colmater les circuits. Tout récemment, les Russes ont décidé de construire un prototype de petite puissance appelé BREST. Les Belges ont l’intention de construire un réacteur d’irradiation MYRRHA, RNR au plomb qui serait hybride, c’est à dire avec un cœur sous-critique suralimenté en neutrons par la spallation de noyaux lourds soumis au bombardement de protons de très haute énergie provenant d’un accélérateur couplé au réacteur. Réacteurs à neutrons rapides refroidis par gaz Le troisième type de RNR retenu comme concept-cible par le GIF utiliserait un gaz comme fluide caloporteur. On aurait ainsi à la fois les avantages de la surgénération et ceux de la haute température voir ci-après. Ce type de réacteur est attrayant sur le papier, mais encore assez futuriste car son combustible reste à inventer puisque ce ne peut être ni celui des RNR au sodium ni celui des HTR. Réacteurs à très haute température Les réacteurs à haute température, et leur version future dénommée Very Hight Temperature Reactor VHTR, sont des réacteurs modérés au graphite et refroidis au gaz hélium sous pression. Leur originalité vient de leur combustible celui-ci est constitué de microbilles enrobées de plusieurs couches comme l’amande d’une dragée est enrobée de couches de sucre. L’une des couches, en carbure de silicium, est étanche aux produits de fission et joue le rôle de la gaine d’un élément combustible, les autres sont constituées de carbone plus ou moins dense. Ces particules enrobées, d’un diamètre total voisin du millimètre, sont noyées dans du graphite pour former des sphères de la taille d’une boule de billard Pebble Bed Modular Reactor PBMR fait de blocs prismatiques traversés de canaux que l’on assemble comme un jeu de construction ; Gas-Turbine Modular Helium GT-MHR, concept à prismes Figure 9. Formé d’un assemblage de prismes ou d’un tas de boulets, le cœur d’un réacteur à haute température est réfractaire et ne peut pratiquement pas fondre. Il permet de chauffer de l’hélium à 1000°C en gardant le centre du combustible plus froid que celui d’un REP dont l’eau est à 320°C. Quelques prototypes ont fonctionné dans le passé, démontrant la faisabilité et l’intérêt de ces cœurs, mais pas la compétitivité du réacteur pour la production d’électricité seule. Les Chinois sont aujourd’hui les plus actifs dans le développement des HTR. Dans la génération IV, le VHTR vise la cogénération d’électricité et de chaleur de procédé. Le VHTR est un réacteur à neutrons thermiques dont l’utilisation de la matière fissile reste médiocre il devra cohabiter avec des RNR. Réacteur à eau supercritique et réacteur à sels fondus RSF Le premier est une extrapolation du REP où on augmente la pression jusqu’à 25 MPa, où l’eau devient un fluide supercritique, ni liquide ni gaz. Ce fluide a des propriétés attrayantes, mais la pression à l’intérieur des circuits est considérable. Le second utilise des sels fissiles fondus fluorures d’uranium, thorium, béryllium et lithium à la fois comme combustible et comme caloporteur. Ils peuvent fonctionner en neutrons thermiques ou en neutrons rapides et se prêtent particulièrement bien à l’utilisation du thorium. Ce type de réacteur ne nécessite pas de fabrication du combustible liquide, mais il faut lui associer une usine chimique d’épuration en ligne. Seul un très petit prototype a fonctionné en fin des années 1960 tout reste à développer Figure 10. L’Encyclopédie de l’Énergie est publiée par l’Association des Encyclopédies de l’Environnement et de l’Énergie contractuellement liée à l’université Grenoble Alpes et à Grenoble INP, et parrainée par l’Académie des sciences. Pour citer cet article, merci de mentionner le nom de l’auteur, le titre de l’article et son URL sur le site de l’Encyclopédie de l’Energie. Les articles de l’Encyclopédie de l’Énergie sont mis à disposition selon les termes de la licence Creative Commons Attribution – Pas d’Utilisation Commerciale – Pas de Modification International. poCn2.
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    • moteur que l on trouve dans une centrale nucléaire