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Une centrale nucléaire ne produit pas directement de l’électricité. Comme une centrale à charbon ou à gaz, elle crée d’abord de la chaleur, qui est ensuite transformée en énergie électrique.
La différence tient à la source de cette chaleur : la fission nucléaire. Ce phénomène décrit dans les années 1930 par Otto Hahn, Fritz Strassmann et Lise Meitner permet de libérer une énorme quantité d’énergie en divisant un atome lourd.
En France, le nucléaire fournit environ 67 % de l’électricité. Pourtant, son fonctionnement reste souvent incompris avec de nombreuses idées reçues.
Le but de cet article est de comprendre comment fonctionne une centrale nucléaire : des atomes au cœur du réacteur jusqu’aux lignes à haute tension, en passant par la fission et la production d’électricité.
Que contient une centrale nucléaire ?
Une centrale nucléaire contient :
- le réacteur, où se déroule la fission nucléaire (2 à 6 réacteurs par centrale en France).
- La salle des machines, où l'électricité est générée à partir de cette réaction.
- Les lignes électriques de sortie qui transportent l’électricité.
- Des tours de refroidissement en bord de rivière.
Les circuits d’eau
Une centrale nucléaire possède trois circuits d’eau indépendants. Chaque circuit a un rôle précis. Un circuit pour la chaleur, un circuit pour l’électricité et un circuit pour refroidir le système.
Un circuit primaire
La fission nucléaire chauffe l'eau du circuit primaire à 320°C. Un régulateur de pression empêche l’eau de bouillir. L'eau chaude est ensuite envoyée vers un générateur de vapeur.
Un circuit secondaire
A l'état de vapeur, l'eau arrive dans une turbine à vapeur (jusqu'à 1 500 tours / minute) qui met en mouvement un alternateur. Ensuite, un transformateur va augmenter la tension pour transférer l'électricité efficacement.
Un circuit tertiaire
L'eau venant des turbines est refroidie grâce à un condenseur. Le refroidissement provient de rivières, qui permet à la vapeur d'être condensée en eau liquide. La majorité de l'eau revient dans sa rivière d'origine. La vapeur restante vient des tours de refroidissement.
La chaleur devient électricité
Turbine
La chaleur issue de la fission transforme l’eau du circuit secondaire en vapeur. La vapeur est dirigée vers la turbine. Sous son effet, les pales tournent à grande vitesse. L’énergie thermique devient de l’énergie mécanique grâce au mouvement de rotation.
Alternateur
La turbine est reliée à un alternateur. Lorsque la turbine tourne, elle entraîne un aimant à l’intérieur de bobines de cuivre. Un courant électrique alternatif est créé.
Transformateur
Pour transporter l’énergie sur de longues distances, un transformateur augmente la tension électrique. Initialement à 20 000 V, la tension sera augmentée à 400 000 V grâce au transformateur. Cet appareil est lié à des lignes à haute tension. Les lignes à haute tension vont ensuite acheminer l’électricité vers les habitations.
Le réacteur : le cœur de la centrale nucléaire
Il existe plusieurs types de réacteurs :
- Réacteur à eau pressurisée (REP) - 55% des réacteurs dans le monde
- Réacteur à eau bouillante (REB) - 22% des réacteurs dans le monde
- Réacteur à eau lourde
- Réacteur à neutrons rapides (RNR)
- Réacteur calorporteur gaz (RCG)
Généralement, les centrales ont plusieurs réacteurs pour augmenter leur production d’électricité. Le réacteur est le cœur de la centrale nucléaire, la fission a lieu dans sa cuve.
La réaction est contrôlée notamment grâce à des barres de contrôle et un modérateur, que l’on verra plus loin. Pour comprendre la fission nucléaire, il faut d’abord comprendre les atomes et leurs caractéristiques.
L’atome : la brique de base de l’énergie nucléaire
L’atome est composé de 3 types de particules : les protons, neutrons et électrons.
Le noyau de l'atome comprend les protons et les neutrons. Le tableau périodique des éléments s'appuie sur ce principe pour distinguer les éléments chimiques. Le nombre de protons au sein d'un atome constitue son numéro atomique. Par exemple, le numéro 1 est l'hydrogène car son noyau est constitué d'un seul proton.
Des atomes d'un même élément peuvent avoir un nombre différent de neutrons : ce sont des isotopes (comme l'uranium 235).
Chaque élément chimique possède un nombre défini de protons et de neutrons à leur état stable. En modifiant leur nombre, le noyau de l’atome devient instable. Le noyau va chercher à se stabiliser en expulsant certaines de ses particules. La fission nucléaire exploite cette particularité pour créer de l’énergie thermique.
La fission nucléaire : libérer l’énergie du noyau
La chaleur vient de la division d’un atome lourd (l’uranium notamment) en atomes plus légers. Cela permet de chauffer l’eau du circuit primaire à très forte température.
La fission consiste à envoyer un neutron vers un atome d'uranium pour le déstabiliser. Sous cet effet, l'atome se divise en noyaux plus légers et libère de nouveaux neutrons pour se stabiliser.
Une réaction en chaîne est créée avec des rayonnements. Une grande chaleur est dégagée, ce qui va produire l’électricité.
Cette réaction n’est possible qu’avec certains noyaux comme l’uranium 235. C’est un élément dit “fissile” car il peut subir une fission nucléaire.
Au moment de la fission, l'atome d'uranium se divise en deux atomes plus légers appelés produits de fission, comme le 92Kr et 141Ba. Deux neutrons supplémentaires sont également libérés et alimentent la réaction en chaîne.
La fission de l'uranium ne reproduit pas toujours les mêmes noyaux. Certains produits de fission tels que 137Cs et 90Sr sont plus radioactifs.
E = mc2
La célèbre formule d’Albert Einstein permet d’expliquer la quantité d’énergie libérée lors de la fission nucléaire.. L’énergie est liée à la masse ainsi que la vitesse de la lumière.
Une faible perte de masse peut fournir une énorme quantité d’énergie. Cela s’explique par le fait que la masse est multipliée par le carré de la vitesse de la lumière (299 792 458 m/s).
Energie = Masse x Vitesse de la lumière2
Quand l'uranium est fissuré, l'atome perd seulement un millième de sa masse. Cette perte de masse crée une énergie considérable.
Pourquoi l'uranium ?
Contrairement à ce que l’on pourrait croire, l’uranium est présent partout dans le monde. Cependant, l’uranium naturel contient seulement 0,72 % d’uranium 235. Ce n’est pas suffisant pour créer de l’électricité. L’uranium naturel est donc enrichi pour atteindre 3 à 4% d’uranium 235 et devient utilisable dans une centrale nucléaire.
Un réacteur consomme en moyenne 25 tonnes d’uranium enrichi par an. En comparaison, une centrale à charbon doit utiliser 3 200 000 tonnes pour fournir la même quantité d’énergie.
En théorie, tous les éléments chimiques ont une barrière de fission mesurée en mégaélectronvolt (MeV). L’uranium 235 a une barrière de fission très faible, le noyau doit atteindre un état excité de 5.7 MeV. Quand un neutron est capturé par un atome d’uranium 235, le noyau devient instable, entre 5 et 7 MeV.
Le volt (V) correspond à la différence de potentiel électrique entre deux points d’un circuit, multiplié par l’énergie de mouvement d’un électron (e). Cette unité est proche du joule, mais mieux adaptée aux phénomènes atomiques.
1 eV = 1e × 1 V
eV : Electronvolt
e : Charge électrique d’un proton
V : Volt
Lors de la fission, chaque atome libère 200 MeV d’énergie (connu grâce à la relation E = mc2, dont 90% sous forme de chaleur.
Réaction en chaîne
La fission libère des neutrons, qui vont à nouveau entrer en collision avec d’autres atomes lourds et ainsi de suite. Pour maîtriser cette énergie, un modérateur ralentit les neutrons, ce qui permet de contrôler la réaction en chaîne. Les modérateurs les plus utilisés sont l’eau et le graphite (respectivement 75% et 20% des réacteurs).
A l’intérieur du réacteur, des barres de contrôle peuvent absorber les neutrons pour réduire, voire arrêter la réaction en chaîne.
Les rayonnements
Cet atome sera instable, et va provoquer des rayonnements (bêta, gamma ou alpha) pour se stabiliser. Les rayonnements émis dépendent des éléments de l’atome.
Les rayons gamma (γ) viennent du noyau atomique lorsque l’atome se stabilise pendant la fission. Les matériaux comme le plomb ou le béton, stoppent la propagation.
Les rayons beta (β) sont émis lorsqu’un atome se stabilise en évacuant des électrons. L’aluminium suffit à les arrêter.
Les rayons alpha (α) viennent des désintégrations de noyau comportant des protons et des neutrons. Une simple feuille de papier permet de les arrêter.
Ces rayonnements ont principalement lieu dans le cœur du réacteur, dans le circuit primaire et dans le combustible usé. Ils sont confinés à des zones strictement contrôlées.
Les déchets nucléaires
Un déchet est radioactif lorsqu’il contient des atomes instables. En cherchant à se stabiliser, ces atomes émettent des rayonnements, ce qui rend le déchet radioactif.
La durée de radioactivité dépend de l’atome concerné. Chaque élément chimique a une demi-vie. C’est la durée nécessaire pour que la moitié des noyaux radioactifs d’un matériau se désintègrent naturellement. Si un déchet radioactif contient 100 noyaux instables et que sa demi-vie est de 30 ans :
- après 30 ans, il en reste 50
- après 60 ans, il en reste 25
- après 90 ans, il en reste 12,5
90% des déchets sont “à vie courte”. Ils correspondent aux vêtements et protections utilisés et sont faiblement radioactifs.
97% de la radioactivité restant provient des déchets de haute activité, comme les produits de fission. Ils représentent 0,2% du volume total de déchets radioactifs. En France, il faudrait seulement un cube de 16 m3 pour les contenir. Ces déchets peuvent rester radioactifs des dizaines de milliers d'années.
L’Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (ANDRA) est chargée de traiter ces déchets. Pour les déchets de haute activités, il sont stockés sur un site à La Hague, dans la Manche. Un projet de stockage géologique profond appelé Cigéo est en cours. Il vise à stocker ces déchets à 500 mètres sous terre dans la Meuse.
Contrairement à ce que l'on pourrait croire. L'électronucléaire n'est pas le seul secteur qui crée des déchets nucléaires. La recherche, la défense, l'industrie et le médical créent aussi des déchets.
La quantité d'électricité produite
Chaque réacteur a une capacité de production entre 900 et 1 450 mégawatts (MW). Le nucléaire fournit 361,7 térawattheure, soit 67% de l’électricité en France en 2024. En comparaison, le nucléaire crée seulement 10% de l’électricité dans le monde.
La puissance et l'énergie sont mesurées différemment. La puissance indique à quelle vitesse une centrale transforme de l'électricité. L'énergie représente la quantité totale d'électricité produite sur une durée.
| Caractéristique | Puissance | Énergie |
|---|---|---|
| Définition | Vitesse de production d'électricité | Quantité totale d'électricité |
| Unités | Watt (W), Mégawatt (MW), Gigawatt (GW) | Wattheure (Wh), Mégawattheure (MWh), Térawattheure (TWh) |
| Nature | Instantanée | Cumulée |
L’électricité produite par une centrale nucléaire n’est pas réservée à des usages spécifiques. On ne peut pas tracer l’électricité nucléaire sur le réseau électrique. Au quotidien, nous utilisons un mix d’électricité nucléaire, hydraulique, éolienne…
Si la fission nucléaire est aujourd'hui une technologie mature, elle a des limites, ce qui pousse à explorer de nouvelles solutions.
Les centrales nucléaires de demain
La fission nucléaire permet de produire beaucoup d’électricité avec peu de combustible, mais elle présente plusieurs contraintes : des déchets radioactifs à longue durée de vie, des exigences de sûreté très élevées et une ressource fissile limitée. Historiquement, l'État est très impliqué dans les projets nucléaires, car les acteurs privés n’avaient pas les financements nécessaires.
Récemment, certaines Big Techs américaines, comme Google, ont noué des partenariats avec des start-ups nucléaires. L’objectif est de construire des mini-réacteurs appelés SMR (Small Modular Reactors), plus flexibles que les centrales classiques, pour alimenter leurs data centers.
La fusion nucléaire
A long terme, la fusion nucléaire est l’innovation la plus prometteuse. Contrairement à la fission nucléaire qui sépare un atome lourd en atomes légers, la fusion réunit deux atomes légers en un seul atome. Ce phénomène existe déjà naturellement. Les atomes d'hydrogène dans le Soleil forment de l’hélium grâce à la température.
Les produits de fusion sont moins radioactifs. Le deutérium (eau de mer) et le Lithium sont utilisés, ce qui évite d’être dépendant avec l’uranium. Ce processus libère une grande quantité d’énergie et des combustibles extrêmement abondants. La fusion ne repose pas sur une réaction en chaîne auto-entretenue : si les conditions ne sont plus réunies, la réaction s’arrête naturellement, ce qui réduit le risque d’accident.
Sur Terre, la fusion nucléaire a déjà existé en 1952 à travers la bombe H. Appliquer la fusion dans un réacteur amène de nombreux défis. Il faut générer une chaleur proche de celle du Soleil, maîtriser le confinement du plasma et maintenir les conditions de température et de pression.
Le programme ITER ou la start-up Helion essaient de réutiliser ce phénomène. Les essais sont prometteurs, mais cette technologie n'est pas assez maîtrisée pour la transformer en électricité à grande échelle. Les projections les plus optimistes envisagent le lancement de réacteurs à fusion nucléaire à partir de 2050 au minimum.
Glossaire
Barrière de fission : le niveau d’énergie nécessaire pour provoquer la fission nucléaire.
Calorporteur : fluide chargé de transporter la chaleur dans le réacteur nucléaire vers un autre circuit, sans nécessairement créer directement de l’électricité.
Fission nucléaire : phénomène où un atome lourd se divise en deux, ce qui libère une grande quantité d'énergie.
Fusion nucléaire : phénomène où deux atomes légers se réunissent en un seul atome, libérant une grande quantité d'énergie.
Fissile : élément chimique qui peut subir la fission nucléaire
Modérateur : Ralentit l’émission de neutron pour maîtriser la réaction en chaîne de la fission
Produit de fission : la fission nucléaire divise l’atome lourd en atomes plus légers. Ce sont les atomes issus de la fission.
Puissance électrique : capacité instantanée de production d’électricité.
Sources
- ASNR - Centrales nucléaires
- EDF - Nucléaire en chiffres
- ASNR - Qu'est-ce qu'un atome ?
- Wikipedia - Fission nucléaire
- Nuclear Power - Fuel consumption
- La Radioactivité - Unités d'énergie
- Nuclear Power - Neutron moderator
- Orano - Fonctionnement d'une centrale nucléaire
- Dr Nozman - Je rentre au coeur d'une centrale nucléaire
- ASNR - Rayonnement ionisant
- Landauer - Différents rayonnements ionisants
- EDF - Types de réacteurs nucléaires
- Orano - Fonctionnement d'une centrale nucléaire
- Les Echos - Mini-réacteurs : le nouveau rêve de l’industrie nucléaire
- Planète Énergies - Fusion nucléaire
- La Radioactivité - Une grande énergie libre
- Andra
- EDF - Déchets radioactifs
- Expertise Énergie - Transformateur électrique