Centrale nucléaire

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Centrale nucléaire de Golfech (Tarn-et-Garonne)
Centrale nucléaire de Golfech (Tarn-et-Garonne)
Une centrale nucléaire est une centrale électrique, utilisant la fission nucléaire de matières fissiles pour produire de la chaleur dont une partie est transformée en électricité. C'est actuellement la principale mise en œuvre civile de l'énergie nucléaire.
Une centrale nucléaire est constituée d'un ou plusieurs réacteurs nucléaires (jusqu'à 7), dont la puissance électrique varie de 40 MW à plus de 1450 MW. Le futur réacteur EPR aura une puissance de 1600 MW. En 2006, 442 réacteurs fonctionnent dans 31 pays différents dans le monde, soit un total de 370 GW produisant environ 17% de l'électricité mondiale (voir la liste des réacteurs nucléaires).

Histoire

Le 27 juin 1954, la première centrale nucléaire civile fut connectée au réseau électrique à Obninsk en URSS, avec une puissance de production d'électricité de 5 Mégawatts. Les centrales nucléaires suivantes furent Marcoule en Provence le 7 janvier 1956, Sellafield au Royaume-Uni, connectée au réseau en 1956, et le réacteur nucléaire de Shippingport aux États-Unis, connecté en 1957. Cette même année, les travaux de construction du premier réacteur à usage civil en France (EDF1) démarrèrent à la centrale nucléaire de Chinon.
La puissance nucléaire mondiale a augmenté rapidement, s'élevant de plus de 1 gigawatt (GW) en 1960 jusqu'à 100 GW à la fin des années 1970, et 300 GW à la fin des années 1980. Depuis, la capacité mondiale a augmenté beaucoup plus lentement, atteignant 366 GW en 2005, en raison du programme nucléaire chinois. Entre 1970 et 1990 étaient construits plus de 5 GW par an (avec un pic de 33 GW en 1984). Plus des deux tiers des centrales nucléaires commandées après janvier 1970 ont été annulées.
Les coûts économiques croissants, dus aux durées de construction de plus en plus longues, et le faible coût des combustibles fossiles, ont rendu le nucléaire moins compétitif dans les années 1980 et 1990. Par ailleurs, dans certains pays, l'opinion publique, inquiète des risques d'accidents nucléaires et du problème des déchets radioactifs, a conduit à renoncer à l'énergie nucléaire.

Description

Une centrale nucléaire regroupe l'ensemble des installations permettant la production d'électricité sur un site donné. Elle comprend fréquemment plusieurs tranches, identiques ou non ; chaque tranche correspond à un groupe d'installations conçues pour fournir une puissance électrique donnée (par exemple 900 MWe, 1300 MWe ou 1450 MWe). En France, une tranche comprend généralement :
  • le bâtiment réacteur, enceinte étanche qui contient principalement le réacteur nucléaire, les générateurs de vapeur (trois ou quatre selon la génération), un pressuriseur, une partie du circuit d'eau secondaire et le circuit d'eau primaire, dont le rôle principal est d'assurer le transfert thermique entre le cœur du réacteur et les générateurs de vapeur ;
  • le bâtiment salle des machines, qui contient principalement :
    • une ligne d'arbre comprenant les différents étages de la turbine à vapeur et l'alternateur,
    • le condenseur,
  • des bâtiments annexes qui contiennent notamment des installation diverses de circuits auxiliaires nécessaires au fonctionnement du réacteur nucléaire et à la maintenance, les tableaux électriques alimentants tous les auxiliaires et générateurs diesel de secours ;
  • un aéroréfrigérant atmosphérique, ou simplement une station de pompage pour les tranches dont le refroidissement utilise l'eau de mer ou de rivière.
Les autres installations de la centrale électrique comprennent :
  • un ou plusieurs postes électriques permettant la connexion au réseau électrique par l'intermédiaire d'une ou plusieurs lignes à haute tension, ainsi qu'une interconnexion limitée entre tranches ;
  • un bâtiment administratif.

Fonctionnement technique

réacteur à eau bouillante: barre d'arrêt d'urgence barre de contrôle assemblage combustible protection biologique sortie de vapeur entrée de l'eau protection thermique
réacteur à eau bouillante:
  1. barre d'arrêt d'urgence
  2. barre de contrôle
  3. assemblage combustible
  4. protection biologique
  5. sortie de vapeur
  6. entrée de l'eau
  7. protection thermique
Dans une tranche nucléaire, le réacteur nucléaire est en amont d'une installation thermique qui produit de la vapeur transformée en énergie mécanique au moyen d'une turbine à vapeur ; l'alternateur utilise ensuite cette énergie mécanique pour produire de l'électricité.
La différence essentielle entre une centrale nucléaire et une centrale thermique classique est matérialisée par le remplacement d'un ensemble de chaudières consommant des combustibles fossiles par un réacteur nucléaire.
Pour récupérer de l'énergie mécanique à partir de chaleur, il est nécessaire de disposer d'une source chaude et d'une source froide.
  • pour un réacteur de type REP (Réacteur à Eau sous Pression), la source chaude est fournie par l'eau du circuit primaire, à la température moyenne de 306 °C (286 °C en entrée et 323 °C en sortie, température de sortie variant selon la puissance de la tranche) ;
  • la source froide est fournie par l'eau d'un fleuve ou de la mer, ou bien de l'air ambiant par évaporation dans des tours aéroréfrigérantes.
Ainsi, une tranche nucléaire de type REP comporte trois circuits d'eau importants indépendants :
  • le circuit primaire qui se situe dans une enceinte de confinement.
Il est constitué, suivant le type de tranche, de 3 ou 4 générateurs de vapeur associés respectivement à une pompe (par GV), un pressuriseur assurant le maintien de la pression du circuit (155 bar) puis d'un réacteur intégrant des grappes de contrôle et le combustible. Il véhicule, en circuit fermé, de l'eau liquide qui extrait les calories du combustible pour les transporter aux générateurs de vapeur (rôle de caloporteur). L'eau du circuit primaire a aussi comme utilité la modération des neutrons (rôle de modérateur) issus de la fission nucléaire. La thermalisation des neutrons les ralentis pour interagir avec les atomes d'uranium 235 et déclencher la fission de leur noyau. Par ailleurs, l'eau procure un effet stabilisateur au réacteur: si la réaction s'emballait, la température du combustible et de l'eau augmenterait. Celà provoquerait d'une part, une absorption des neutrons par le combustible (effet combustible) et d'autre par une modération moindre de l'eau (effet modérateur). Le cumul de ces deux effets est dit "effet puissance": l'augmentation de ce terme provoque l'étouffement de la réaction d'elle-même, c'est un effet auto-stabilisant.
  • le circuit d'eau secondaire est un circuit fermé, qui se décompose en deux parties :
    • entre le condenseur et les générateurs de vapeur, l'eau reste sous forme liquide : c'est l'alimentation des générateurs de vapeur ; des pompes permettent d'élever la pression de cette eau, et des échangeurs de chaleur en élèvent la température (60 bar et 220°C).
    • cette eau se vaporise dans 3 ou 4 générateurs de vapeur (suivant le type de tranche; 900 ou 1300 / 1450 MW) et les tuyauteries de vapeur alimentent successivement les étages de la turbine disposés sur une même ligne d'arbre. La vapeur acquiert une grande vitesse lors de sa détente permettant ainsi d'entraîner les roues à aubages de la turbine.
Celle-ci est composée de plusieurs étages séparés et comportant chacun de nombreuses roues de diamètre différent. D'abord, la vapeur subit une première détente dans un corps haute pression (HP; de 55 à 11 bar) puis, elle est récupérée, séchée et surchauffée pour subir une seconde détente dans les corps basse pression, (BP; de 11 à 0.05 bar). On utilise les corps BP dans le but d'augmenter le rendement du cycle thermo-hydraulique.
La sortie du dernier étage de la turbine donne directement sur le condenseur, un échangeur de chaleur dont la pression est maintenue aux environs de 50 mbar absolu (vide) par des pompes à vide. L'eau condensée dans cet appareil est réutilisée pour réalimenter des générateurs de vapeur.
  • Le circuit de refroidissement assure le refroidissement du condenseur. L'eau est refroidie par un courant d'air dans une tour aéroréfrigérante d'où une petite partie (1,5 %) de l'eau s'échappe en vapeur en forme de panache blanc. L'eau de refroidissement peut aussi être échangée directement avec un fleuve ou la mer.
L'énergie mécanique produite par la turbine sert à entraîner l'alternateur qui la convertit en énergie électrique, celle-ci étant évacuée par le réseau électrique.
Lorsque la tranche nucléaire débite de la puissance électrique sur le réseau, on dit qu'elle est "couplée" au réseau. La déconnexion intempestive de l'alternateur au réseau (ce qu'on appelle un "déclenchement"), nécessite une réduction immédiate de l'alimentation en vapeur de la turbine par des vannes de réglage disposées sur les tuyauteries de vapeur, faute de quoi, sa vitesse de rotation augmenterait jusqu'à sa destruction, en raison de la force centrifuge excessive s'exerçant alors sur les aubages. Néanmoins, dans ce cas-ci, la tranche reste en service à faible puissance: la turbine est en rotation et reste prête au recouplage immédiat sur le réseau (la tranche est alors "ilotée" : elle alimente elle même ses auxiliaires).

Les différents types de centrales

  • centrale à réacteur à eau bouillante, modéré au graphite de conception soviétique (RBMK)
  • centrale à réacteur à eau pressurisée de conception soviétique (WWER)
  • centrale à réacteur à uranium naturel, modéré par du graphite, refroidi par du dioxyde de carbone (filière uranium naturel graphite gaz) ; dont le premier réacteur à usage civil en France (EDF1). Cette filière fut abandonnée pour la filière REP pour des raisons économiques. Ces types de centrales sont actuellement tous à l'arrêt ;
  • centrale à réacteur utilisant de l'uranium naturel modéré par de l'eau lourde (filière canadienne CANDU) ;
  • centrale à réacteur à eau pressurisée (REP) (PWR en anglais) ; ce type de réacteur utilise de l'oxyde d'uranium enrichi comme combustible, et est modéré et refroidi par de l'eau ordinaire sous pression. Les REP constituent l'essentiel du parc actuel : 60 % dans le monde et 80 % en Europe. La France a opté pour ce type de réacteur, alors sous licence Westinghouse, en 1969 ;
  • centrale à réacteur à eau lourde pressurisée (PHWR)
  • centrale à réacteur avancé au gaz (AGR)
  • centrale à réacteur à eau bouillante (REB) (BWR en anglais) ; ce type de réacteur est assez semblable à un réacteur à eau pressurisée, à la différence importante que l'eau primaire se vaporise dans le cœur du réacteur, ceci en fonctionnement normal ;
  • centrale à Réacteur nucléaire à neutrons rapides et à caloporteur sodium, comme Superphénix.
  • ...

Centrales nucléaires en projet

Les centrales nucléaires dans le monde
Les centrales nucléaires dans le monde
  • EDF doit, en France, implanter une centrale nucléaire de type EPR (European Pressurised water Reactor) sur le site de Flamanville, dans la Manche, d'une puissance prévue de 1600 MW.
  • L'entreprise russe Sevmash a procédé le 14 juin 2006 à la construction de la 1ère Centrale Nucléaire Flottante (PATES / ?????) au monde. Le projet, issu des technologies militaires employées dans les sous-marins nucléaires, doterait les villes du Grand Nord de sources d'énergie plus économiques que les énergies fossiles.

Débat politique sur l'énergie nucléaire

L'énergie nucléaire est un sujet de débat politique. 17% de l'électricité dans le monde est produite par la filière nucléaire, la proportion variant largement d'un pays à l'autre.

Gestion des déchets

Les déchets radioactifs proviennent de différentes étapes du cycle du combustible nucléaire. 10% de ces déchets environ sont des éléments de forte activité radiologique ou de longue demi-vie .

Démantèlement

Après l'arrêt définitif de l'exploitation, une centrale nucléaire est entièrement démantelée, y compris les réacteurs nucléaires.
Les matériels et équipements des réacteurs nucléaires sont dimensionnés pour une certaine durée de vie. Alors que certains sont remplacés pendant les arrêts périodiques du réacteur (ex: générateur de vapeur), d'autres restent dans le réacteur. Lors du démantèlement, tous les équipements sont démontés et envoyés si nécessaire dans des centres de stockage de déchets radioactifs.
Le démantèlement d'un réacteur se fait en 3 étapes :
  • L'étape de mise à l'arrêt définitif (MAD) : déchargement du combustible du cœur du réacteur et son entreposage pendant 2 ans en piscine de "décroissance" du bâtiment combustible.
  • L'étape de démantèlement partiel : déconstruction de tous les bâtiments en dehors du bâtiment abritant le réacteur.
  • Le démantèlement total : démantèlement du bâtiment réacteur.
Actuellement, la durée du démantèlement d'une centrale nucléaire est estimée à 40 ans entre l'arrêt du réacteur et la remise du site à l'état initial.
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Des LED flexibles à nanofils: une nouvelle avancée pour les écrans pliables

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Des chercheurs du CNRS, du CEA, de l'université Paris-Sud et de l'université Joseph Fourier (1) ont mis au point un nouveau procédé pour obtenir des diodes électroluminescentes (LED) flexibles. Ces chercheurs ont ainsi fabriqué la première diode électroluminescente verte flexible et à nanofils au monde ainsi que le premier système multicouche combinant des émissions bleues et vertes, une étape cruciale avant d'obtenir des écrans et des ampoules blanches à LED déformables. Leurs travaux sont publiés dans la revue Nano Letters le 14 octobre 2015.



Gauche: Photos de LED bleue et verte flexibles à base de nanofils de nitrures.
Milieu: Schéma illustrant la structure d'une LED flexible à deux couleurs.
Droite: Spectre de l'électroluminescence d'une LED à deux couleurs.

L'attribution du prix Nobel de physique 2014 aux inventeurs de la LED bleue (2) le confirme: la recherche sur les diodes électroluminescentes, DEL ou LED en anglais, connaît une forte expansion. Les LED sont composées d'un matériau semi-conducteur hétérogène, une partie étant enrichie en électrons et l'autre en étant appauvrie. Le passage d'un courant électrique dans ce matériau hétérogène provoque l'émission d'un photon, et donc de lumière.

Le choix du matériau semi-conducteur influence les caractéristiques lumineuses et physiques des LED. Il est ainsi possible d'obtenir des LED flexibles grâce à des polymères organiques pour constituer, par exemple, un écran pliable. Ces matériaux souffrent cependant d'une mauvaise brillance des bleus et d'une usure précoce. Pour pallier ces problèmes, les chercheurs ont donc combiné la haute brillance et la grande durée de vie de LED à base de nitrures (3), avec la flexibilité des polymères.

Ils ont pour cela utilisé des nanofils de nitrures englobés dans une couche de polymère, puis les ont détachés de leur substrat pour réaliser une membrane flexible. Ces émetteurs mesurent plusieurs centaines de nanomètres de diamètre pour 20 micromètres (4) de hauteur et l'ensemble paraît totalement homogène à notre échelle.

Les chercheurs ont ainsi fabriqué la première LED verte flexible à nanofils au monde, ainsi qu'une variante bleue. L'équipe a également combiné deux couches de nanofils de ces couleurs, afin d'obtenir une LED capable d'éclairer à la fois en vert et en bleu. Cette étape est importante car, une fois que le rouge sera ajouté, il sera possible d'émettre une lumière blanche et d'afficher des vidéos (5).

Cette avancée ouvre la porte à des écrans, montres ou ampoules à LED déformables. D'autres couleurs peuvent être obtenues si les nitrures sont remplacés par des arséniures ou des phosphures, ainsi qu'en jouant sur la taille des nanofils. À plus long terme, les chercheurs espèrent utiliser des matériaux absorbants afin de transformer ces LED en photodétecteurs ou en cellules solaires flexibles.

Notes:

(1) Les laboratoires impliqués dans cette étude sont: l'Institut d'électronique fondamentale (CNRS/Université Paris-Sud), l'Institut Néel (CNRS) et l'Institut nanosciences et cryogénie (CEA).
(2) Le prix a été remis à Isamu Akasaki, Hiroshi Amano et Shuji Nakamura.
(3) Les nitrures sont une grande famille de composés azotés caractérisés par une émission lumineuse couvrant le domaine du visible et de l'ultraviolet.
(4) 1 micromètre (µm) = 0,001 millimètre.
(5) Les écrans d'ordinateurs utilisent l'espace RVB, rouge vert bleu, qui leur permet de reproduire toutes les autres teintes grâce à des combinaisons de ces couleurs primaires. Une combinaison de ces trois couleurs donne du blanc.
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