Les atomes de la Terre sont constitués de protons et de neutrons, qui sont très densément regroupés. Au centre de chaque atome se trouve un noyau autour duquel gravitent des électrons. Dans les centrales nucléaires, les atomes d’uranium sont divisés pour créer de la chaleur qui est utilisée pour faire bouillir l’eau et faire tourner des turbines pour produire de l’électricité.
A quoi consiste la fission ?
La fission est la désintégration d’un noyau lourd en deux noyaux plus légers, libérant de grandes quantités d’énergie. Ce processus a été découvert en 1938 par le chimiste allemand Otto Hahn et la physicienne austro-suédoise Lise Meitner.
Lorsqu’un neutron frappe un atome d’uranium, le noyau atomique se brise, libérant d’énormes quantités d’énergie sous forme de chaleur et de rayonnement. C’est ce qu’on appelle la fission nucléaire, et c’est ainsi que l’on produit de l’énergie nucléaire.
Dans une centrale nucléaire, la chaleur de la réaction nucléaire réchauffe l’eau pour la transformer en vapeur, qui fait ensuite tourner des turbines pour entraîner des générateurs qui créent de l’électricité. Contrairement à la combustion du charbon et du pétrole, cette méthode de production d’énergie ne dégage pas de dioxyde de carbone ni d’autres produits chimiques nocifs dans l’air. Enfin, la vapeur est refroidie pour redevenir de l’eau et être réutilisée.
Qu’est ce qu’une pastille de combustible ?
Une pastille de combustible typique est un cylindre solide de dioxyde d’uranium polycristallin dont le diamètre est généralement de 1 cm ou moins. Elle est utilisée dans les réacteurs à eau pressurisée (REP) et les réacteurs à eau bouillante (REB).
Les REP modernes utilisent du combustible UO2 avec une concentration d’environ 5 % de 235U. Dans les réacteurs à eau bouillante, l’eau de refroidissement bout dans le cœur du réacteur pour produire de la vapeur qui alimente ensuite la turbine génératrice d’électricité.
Les chercheurs du Fuel Cycles and Materials Laboratory de la Texas A&M University travaillent sur les moyens d’apporter de petites modifications au niveau des matériaux qui pourraient avoir un impact important sur l’efficacité énergétique. Leurs recherches comprennent le développement de pastilles de combustible poreuses qui pourraient augmenter la quantité de chaleur que le réacteur nucléaire peut extraire de son combustible.
Comment fonctionne les barres de contrôle ?
Les barres de contrôle sont insérées dans le cœur d’un réacteur pour réguler le rythme de la réaction nucléaire. Elles font également partie du système de sécurité de la centrale ; si les capteurs détectent des conditions telles qu’une température, une pression ou un débit faibles, la centrale est automatiquement « bloquée ».
Une barre de contrôle est généralement fabriquée dans un matériau qui absorbe les neutrons, comme le bore. Ces matériaux peuvent être façonnés, polis ou découpés pour créer une barre de contrôle qui s’adapte à l’intérieur du cœur.
Le matériau doit absorber une certaine quantité de neutrons ; c’est ce qu’on appelle la section d’absorption. Une barre doit avoir une section d’absorption suffisamment grande pour ralentir la cascade de fissions qui se produit dans le cœur d’un réacteur, empêchant ainsi une réaction en chaîne nucléaire de se développer trop rapidement et de provoquer une explosion.
A quoi sert le cœur du réacteur ?
Le cœur d’un réacteur est la partie la plus interne d’une centrale nucléaire. Il contient le combustible, les systèmes de contrôle et les matériaux structurels. C’est également dans le cœur que se produit la réaction en chaîne de fission et que la chaleur est générée.
Les réacteurs utilisent l’uranium comme combustible pour les réactions en chaîne de fission. L’uranium est transformé en petites pastilles de céramique qui sont versées dans de longs et fins tubes métalliques appelés « crayons de combustible ». À l’intérieur d’un assemblage combustible, chaque barre de combustible est immergée dans l’eau pour refroidir et modérer la réaction nucléaire. Cela ralentit la vitesse des neutrons produits par la fission, ce qui maintient la réaction en chaîne.
L’énergie de la réaction de fission chauffe l’eau, qui est ensuite pompée dans des tubes qui génèrent de la vapeur, faisant tourner des turbines pour faire tourner des générateurs électriques. Ce processus de chauffage de l’eau est répété de nombreuses fois pour produire de l’électricité.
Tours de refroidissement : c’est quoi ?
La vapeur chaude d’une turbine ou d’un générateur quitte la centrale par des tuyaux et passe dans une tour de refroidissement pour la refroidir. Ce processus est connu sous le nom de cycle de Rankine.
Une partie de l’eau passe sur un banc de matériau appelé « remplissage » à l’intérieur de la tour de refroidissement. Ce contact expose une grande partie de la surface de l’eau à l’air ambiant qui monte dans la tour par tirage naturel ou par tirage forcé à l’aide de grands ventilateurs dans la tour. Ce contact provoque l’évaporation d’une petite quantité d’eau. Le reste est perdu sous forme de vent ou de dérive, un phénomène qui se produit lorsque l’eau refroidie quitte la tour et se mélange à l’air ambiant.
La quantité de chaleur perdue rejetée par la tour de refroidissement est fonction de la conception de la tour et de l’alimentation en eau. Elle dépend également de la concentration en solides dissous de l’eau de refroidissement, appelée COC.