Approche documentaire : Fonctionnement d’une centrale nucléaire

Centrale nucléaire

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Approche documentaire : Fonctionnement d’une centrale nucléaire Objectif : A partir des documents fournis, comprendre le fonctionnement d’une centrale nucléaire, dégager les paramètres limitant leur rendement.

Lire attentivement les documents suivants (disponibles sur le site internet de la TSI) :

Document 1 : Livret-Réacteur.pdf .

Document 2 : Mémo A, C.

Document 3 : Site internet EDF :

http://energie.edf.com/nucleaire/comment-ca-marche-y/les-grands-principes-de-fonctionnement- 48400.html

Schématisation d’une centrale nucléaire : Vidéo « Les 3 circuits »

Le circuit primaire sert de source chaude, le circuit de refroidissement sert de source froide.

Le circuit secondaire joue le rôle de « moteur thermique » qui permet de produire un travail qui mettra en mouvement de l’alternateur.

Intérêt des 3 circuits : Le circuit « radioactif » ne sort pas de l’enceinte réacteur. On évite toute fuite radioactive.

Inconvénient : Il est nécessaire d’échanger l’énergie thermique entre les 3 circuits. Cet échange n’est jamais parfait. Le rendement est diminué.

Source de chaleur : Le réacteur :

Vidéos : Le combustible, les 3 barrières, le contrôle du réacteur

Le premier réacteur nucléaire a été construit en 1942 aux Etats-Unis par Enrico Fermi. Le premier réacteur Français nommé « Zoé » a fonctionné pour la première fois en 1948.

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L’énergie thermique est libérée par la fission d’atomes d’Uranium 235 ou de Plutonium 239. Celle- ci libère des neutrons qui sont ralentis pour obtenir des neutrons thermiques.

Contrôle de la réaction en chaîne : (Video Le contrôle du réacteur):

On utilise des « barres de contrôle », constituées d’un matériau absorbant les neutrons (très souvent du bore). En insérant ou en extrayant les barres de contrôle du cœur du réacteur, on peut ainsi contrôler le nombre de neutrons thermiques produits par la réaction de fission. L’enfoncement complet stoppe presque instantanément la réaction en chaîne.

Le modérateur est un matériau permettant de ralentir les neutrons libérés par la réaction de fission, sans les absorber. Très souvent constitué de graphite ou d’eau lourde, le modérateur transforme ainsi les neutrons rapides (qui n’aident pas la fission) en neutrons thermiques qui engendrent alors d’autres réactions de fission.

Le caloporteur est un fluide à haute capacité thermique qui permet de « transporter » l’énergie thermique dégagée au niveau du combustible vers l’extérieur du réacteur. On utilise actuellement de l’eau bouillante, de l’eau sous pression ou du sodium liquide comme caloporteur.

Matériaux utilisés :

Les matériaux servant de gainage du combustible doivent être transparents aux neutrons rapides et thermiques, résistants à la chaleur et au rayonnement nucléaire ainsi qu’au fluage. Les matériaux constituants la cuve du réacteur doivent être résistants à l’oxydation, adaptés aux températures élevées avec un faible coefficient de dilatation.

Le matériau le plus utilisé pour le gainage du combustible est le Zircaloy.

« Moteur thermique »: Le circuit secondaire :

Le réacteur chauffe de l'eau sous pression à 155 bar et 300°C : c'est le circuit primaire.

Cette eau permet de produire de la vapeur dans le circuit secondaire qui n'est pas en contact avec des matières radioactives.

Le diagramme ci contre décrit le circuit secondaire (coordonnées (s,T)):

- de 1 à 2 : production de vapeur non surchauffée à 70 bar, 285°C

- de 2 à 3 : détente dans turbine haute pression jusqu'à 10 bar, 180°C

- de 3 à 4 : surchauffe vapeur jusqu'à 10 bar, 267°C

- de 4 à 5 : détente dans turbines moyenne et basse pression jusqu'à 56 mbar 35°C. A ce point il y a 87 % de vapeur (titre = 0.87).

- de 5 à 1 : condensation puis pompage de l'eau jusqu'à 70 bar.

Rendement cycle réel 34 %.

Rendement machine parfaite 37 % (cas où les transformations 2 - 3 et 4 - 5 serait des droites verticales).

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Type de Cycle :

L’eau du circuit secondaire décrit un cycle de Rankine. Il s’agit d’un cycle moteur (sens horaire), de plus, le but est de fournir un travail à la turbine pour assurer la production électrique.

Comment améliorer le rendement ?

Pour augmenter le rendement, il faut augmenter la temperature de la source chaude (c.a.dire modifier le réacteur) ou abaisser la temperature de la source froide.

Remarque :

- Si en été la température du condenseur monte à 50 °C le rendement réel diminue à 31 % (29 % si 60°C). Dans ce cas la ligne 1 - 5 remonte et donc le travail de la vapeur et le rendement diminuent.

- Dans une centrale à eau pressurisée, on atteint la pression maximale de 70bar avec une température de 285°C.

- Pour l'EPR le point 2 remonte à 78 bar, 296°C et le rendement à 37 %.

Pourquoi utilise-t-on 4 turbines ?

Une centrale nucléaire possède, par unité de production, 4 turbines. Une turbine haute pression et 3 turbines basse pression afin de récupérer le maximum d’énergie mécanique lors de la détente de la vapeur.

Il faut réchauffer la vapeur entre le passage dans la turbine haute pression et les turbines basse pression avec de réduire le taux d’humidité de la vapeur. En effet, si celui-ci est très important, on risque une dégradation de la turbine (sous l’effet de l’eau elle-même ou de la corrosion)

Source froide : Le circuit de refroidissement :

Comment maintient-on la température de ce circuit ?

Les aéroréfrigérants servent à refroidir l’eau du circuit tertiaire au contact de l’air avant que celle-ci ne soit refroidie au contact d’un fleuve ou d’une rivière.

Différents types de systèmes :

La centrale de Cattenom est équipée de 4 aéroréfrigérants. Cette centrale étant située « loin de la moselle » (plusieurs centaines de mètres), il est nécessaire de refroidir l’eau du circuit tertiaire par contact avec l’air. L’eau ainsi obtenue est ensuite envoyée dans un bassin où elle finit de se refroidir avant d’être rejetée dans la Moselle ou réinjectée dans le circuit de refroidissement. A Fessenheim, l’eau du circuit tertiaire est directement refroidie dans le canal du Rhin situé juste à côté de la centrale. On a ainsi fait l’économie de deux aéroréfrigérants. Actuellement, les centrales construites au bord des fleuves sont tout de même dotées d’aéroréfrigérants. En effet, les normes environnementales sont devenues plus draconiennes et il ne faut pas dépasser un échauffement de plus de 1,5°C du cours d’eau.