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Les réacteurs à eau pressurisée
| Date de l'intervention | Mercredi 05 novembre 2003 | | Nom de l'intervenant | Sylvie Daudivert | | Organisme | Centrale nucléaire de Penly (EDF) | | Compte-rendu réalisé par | Claire (clr952003) et Solenn (yesso95) | | Illustrations | publiées avec l'aimable autorisation du CEA | | Encadrants | Eric Pellier et Muriel Blot |
Les centrales nucléaires sont en fait des centrales thermiques qui produisent de l’électricité grâce à la chaleur provenant, non pas de la combustion de matières fossiles, mais de la réaction de fission d’un combustible : l’uranium.
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La fission, division d’un noyau atomique lourd en deux fragments plus légers, s’accompagne d’une perte de masse et donc d’une libération d’énergie. Quand un neutron rencontre un noyau lourd dit fissile, celui-ci se divise en deux noyaux plus légers et libère en moyenne 2 à 3 neutrons qui vont à leur tour frapper d’autres noyaux fissiles, libérant à leur tour des neutrons supplémentaires : il s’agit d’une réaction en chaîne, la fission nucléaire s’auto-entretient.
L’uranium 235 (235U) est le seul élément naturel à pouvoir subir une fission par bombardement de neutrons dans les réacteurs nucléaires. Lors de l’extraction de ce minerai, celui-ci comporte deux isotopes : l’uranium 235 présent à 0.7% et l’uranium 238, non fissile (cependant, après absorption d’un neutron, il devient radioactif et se désintègre en plutonium 239 qui, lui, est fissile), présent à environ 99.3%. L’uranium extrait est d’abord purifié puis enrichi en uranium 235 jusqu’à 4% (les noyaux d’uranium 235 étant plus légers, à l’état gazeux ils montent plus haut, et peuvent alors être récupérés) pour permettre la réaction en chaîne impossible dans les proportions naturelles des deux isotopes. Une fois l’uranium enrichi, il est comprimé en pastilles d’environ 8 mm de diamètre et d’une dizaine de grammes placées dans des tubes, appelés crayons combustibles. Les tubes sont eux-mêmes réunis en assemblages carrés par groupes de 264. La cuve du réacteur contient 193 assemblages renouvelés par tiers chaque année.
La fission d’un kilogramme d’uranium libère autant d’énergie que la combustion de 2500 tonnes de charbon ou de 2000 tonnes de pétrole. |
Le fonctionnement des centrales nucléaires à eau sous pression |
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La chaleur dégagée par l’énergie libérée lors de la fission des noyaux d’uranium sert à produire de la vapeur à haute pression pour faire tourner une turbine et actionner un alternateur, comme dans toute centrale thermique, afin de produire de l’électricité. Trois circuits indépendants, sans aucune liaison entre eux, sont nécessaires pour extraire la chaleur de l’uranium et la transférer à la vapeur.
Dans le circuit primaire, une pompe permet de mettre l’eau en circulation qui, étant un fluide caloporteur, transporte l’énergie libérée sous forme de chaleur jusqu’au circuit secondaire. Au contact du combustible, elle atteint des températures de plus de 300°C, il est donc nécessaire de la maintenir à une pression très élevée (155 bars = 155.105 Pa) pour l’empêcher de bouillir : c’est le rôle du pressuriseur. Elle passe ensuite dans les 3300 tubes en forme de U du générateur de vapeur. Au contact de ces tubes parcourus par l’eau chaude du circuit primaire, alors à une température de 280°C, l’eau du circuit secondaire se vaporise.
L’eau présente dans la cuve sert aussi de modérateur : elle ralentit les neutrons grâce à l’hydrogène (de 20000 km/s à 2000 km/s), ralentissement nécessaire à la réaction.
La vapeur du circuit secondaire fait tourner une turbine et actionne un alternateur qui produit de l’électricité. Elle est ensuite condensée grâce au circuit de refroidissement et renvoyée au générateur de vapeur grâce à une pompe. Le circuit de refroidissement |
La condensation de la vapeur se fait au contact de tubes parcourus par l’eau d’un circuit de refroidissement extérieur. Cette eau circule à grand débit pour limiter son échauffement et maintenir sa température à une dizaine de degrés. N’étant jamais au contact de l’eau des autres circuits elle peut être rejetée sans danger dans le cours d’eau d’où elle provient. C’est pour cette raison qu’une centrale est toujours construite à proximité d’un cours d’eau. Lorsque le débit du fleuve est trop faible ou pour éviter son réchauffement, on utilise parfois des tours de refroidissement (= aéroréfrigérant) où l’eau tiède, répartie à la base de la tour, est refroidie par le courant d’air ascendant. Cette eau est ensuite renvoyée au moyen d’une pompe au niveau du condensateur où elle pourra être réutilisée.
La réunion d’un réacteur et d’un groupe turbo-alternateur correspond à une unité de production électrique que l’on appelle tranche. La plupart des centrales en comprennent deux ou quatre qui peuvent être de trois puissances différentes : en France on trouve 34 tranches de 900 MW, 20 tranches de 1300 MW et 4 tranches de 1450 MW.
C’est en 1974, pour faire face à la crise du pétrole et assurer l’indépendance énergétique de la France, que le gouvernement décide d’accélérer le programme de construction de centrales nucléaires. Aujourd’hui 80% de l’électricité produite en France est d’origine nucléaire. Outre les 58 réacteurs à eau pressurisée, le parc nucléaire français comprend deux réacteurs à neutrons rapides : les surgénérateurs Phénix et Superphénix. |
| | Une centrale nucléaire fonctionnera normalement durant plus de 40 ans avec des arrêts réguliers pour renouveler le combustible et mener des opérations de maintenance. De plus, de fréquentes inspections sont menées afin de contrôler la sûreté des centrales nucléaires. Les rayonnements radio-actifs |
La radioactivité se manifeste sous forme de rayonnements dont la nature dépend de ce que le noyau émet. La réaction de fission et les produits de fission dégagent plusieurs types de rayonnements :
| - Les rayonnements alpha, peu pénétrants, qui sont très faciles à arrêter. En effet une simple feuille de papier permet de les stopper.
- Les rayonnements bêta sont arrêtés par une feuille d’aluminium de quelques millimètres.
- Les rayonnements gamma sont des ondes électromagnétiques de même nature que la lumière ou les rayons X, mais beaucoup plus énergétiques et très pénétrantes. Il faut une forte épaisseur de plomb ou de béton pour les stopper.
- Les rayonnements neutroniques dont la pénétration des neutrons dépend de leur énergie. Il faut une forte épaisseur d’eau, de béton ou de paraffine pour les arrêter.
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La cuve du réacteur est remplie d’eau car celle-ci stoppe les rayonnements. Ainsi, le renouvellement du combustible s’effectue sous l’eau pour éviter tout risque de contamination radioactive de l’environnement. |
Les trois barrières de sûreté |
Pour éviter la contamination de l’environnement par les produits radioactifs issus de la réaction de fission, 3 barrières étanches successives sont présentes dans toutes les centrales nucléaires :
| - la gaine du combustible réalisée en alliage spécial,
- l’enveloppe en acier, épaisse de 20 cm, qui constitue le circuit primaire de la centrale (cuve du réacteur, pompes primaires, pressuriseur, tuyauteries, etc.…), où l’eau circule en circuit fermé,
- l’enceinte de confinement en béton, épaisse de 90 cm, et revêtue d’acier sur sa partie interne ( une seule paroi en béton pour les centrales de 900 MW tandis que deux sont présentes dans les centrales de 1300 et 1450 MW) est prévue pour résister à la dilatation, à un tremblement de terre, à une chute d’avion, etc…
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Le contrôle de la réaction |
Pour éviter tout risque d’amplification incontrôlée de la réaction en chaîne, 3 dispositifs sont mis en place :
| - Du bore, élément neutrophage (absorbe les neutrons), peut être dissout dans l’eau : l’acide borique permet ainsi de ralentir la réaction,
- Les barres de contrôle, elles aussi constituées d’éléments neutrophages, servent à contrôler la réaction et à ajuster la puissance du réacteur à la demande du réseau. La chute totale des barres, qui arrête la réaction en chaîne, nécessite 2.4 s et elle serait automatique, par exemple, lors d’une coupure d’électricité,
- En ultime recours, le réacteur peut être aspergé directement par de l’acide borique grâce à un système de « douches » installées dans le dôme en béton.
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Pour éviter toute coupure d’électricité, 5 moyens différents sont mis en place (générateurs de secours qui peuvent atteindre leur pleine puissance en 9.5 s). Pour toutes les installations techniques indispensables à la sûreté de la centrale, le système est redondant (par exemple, plusieurs pompes pour le circuit de refroidissement) et ces installations « de secours » sont disposées à des localisations différentes pour éviter qu’un éventuel incendie ne paralyse tout le fonctionnement de la centrale.
En cas de problème, un rapport immédiat est fait à l’autorité de sûreté, c’est à dire le gouvernement.
Suivant la gravité de la panne, la direction de la sûreté peut décider d’attendre le prochain arrêt de la tranche prévu pour renouveler une partie du combustible mais aussi vérifier et entretenir les principaux composants de celle-ci ou bien l’arrêt immédiat de la tranche peut-être ordonné.
Deux types d’arrêts sont prévus alternativement et l’organisation de toutes les opérations devant être effectuées au cours de ceux-ci commence 6 mois avant la date de l’arrêt :
- les arrêts courts permettent le renouvellement du combustible
- les arrêts longs sont prévus pour la réalisation des opérations de maintenance.
Tous les dix ans, une visite complète des matériels, appelée « visite décennale », est indispensable pour assurer la sûreté des tranches en fonctionnement durant toute la durée de vie de la centrale (» 40 ans ).
La protection du personnel |
Chaque intervenant porte des vêtements spéciaux lavés ou jetés après chaque intervention (tenue, chaussures, gants, tee-shirt, chaussettes, etc …) et possède un dosimètre électronique personnel qui mesure en temps réel l’exposition pendant la durée du chantier. Celle-ci reste faible grâce à ces protections et au relais fréquent du personnel lors, par exemple, d’une opération de maintenance soumettant les intervenants à une forte radioactivité. A la sortie de la zone contrôlée, un portique permet la détection d’une éventuelle contamination.
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Les déchets issus de la fission |
| | Il existe trois types de déchets radioactifs qui sont manipulés et traités différemment selon leur niveau de radioactivité :
| | - Les déchets de faible activité comprennent les vêtements du personnel, les filtres à l’air et les équipements peu contaminés. Ils sont triés et identifiés puis compactés et conditionnés dans des fûts métalliques. Ils sont ensuite acheminés par route ou par rail sur le lieu de stockage où ils sont rangés dans des structures alvéolaires en béton et séparés par des espaces remplis de mortier ou de gravier. Le tout est ensuite recouvert d’une dalle de béton étanche. Le site sera surveillé pendant la durée de décroissance de la radioactivité, environ 300 ans.
- Les déchets de niveau intermédiaire comprennent les tubes de combustible irradiés et les produits chimiques provenant du traitement des déchets. Ils sont conditionnés dans des conteneurs en béton qui seront entreposés dans des puits de béton avant leur transfert sur un site de stockage définitif.
- Les déchets de haute activité et à vie longue comprennent essentiellement les produits de fission radioactifs et nécessitent une gestion elle aussi spécifique (voir V « La gestion du combustible usé »).
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La gestion du combustible usé |
| | Le déchargement et le transport jusqu'à l'usine de retraitement |
Le renouvellement du combustible au sein du réacteur s’effectue sous l’eau afin de protéger le personnel de la centrale des rayonnements radioactifs : la cuve du réacteur est en communication avec une piscine et les barres de combustible sont manipulées au moyen d’une grue pour être transférées dans cette piscine. Elles y restent ensuite environ 2 ans, temps nécessaire à la décroissance d’une partie de la radioactivité.
Puis, toujours sous l’écran d’eau de la piscine, les barres de combustible sont placées dans des conteneurs blindés, nommés « châteaux », conçus en acier et en plomb et épais de 45 cm, ils assurent la protection contre les rayonnements radioactifs et peuvent résister à des chocs très violents (le transport s’effectuant par route ou par voie ferrée). Les déchets radioactifs sont ainsi acheminés jusqu’à l’usine de retraitement de La Hague, dans le Nord-Cotentin.
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Arrivés à l’usine, les déchets sont retirés des châteaux toujours sous eau, et restent de 3 à 5 ans en piscine afin qu’ils perdent encore une partie de leur radioactivité. Puis, les assemblages sont découpés et traités à l’acide nitrique pour séparer le combustible des gaines pour lesquelles un conditionnement spécifique est prévu.
Le combustible récupéré est ensuite trié : les 3% de produits de fission sont stockés provisoirement dans des cuves en acier ; l’uranium encore légèrement enrichi (95% de 238U et 1% de 235U) est renvoyé vers les usines de reconversion pour être à nouveau enrichi ; le plutonium (apparu suite aux transformations subies par 1% de l’uranium 238) sera lui aussi reconverti.
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Après un stockage pendant un temps limité durant lequel ils perdent une partie de leur radioactivité et de leur chaleur, les produits de fission subissent une évaporation et sont calcinés. Les cendres sont mélangées à des granulés de verre en fusion dans un four à 1150°C, cette étape s’appelle la vitrification. Ils sont ensuite entreposés dans des puits de béton durant 30 à 40 ans avant leur transfert sur un site de stockage définitif. En raison de la date de début d’exploitation des centrales, ces déchets sont encore tous dans cette phase d’entreposage sur le site de La Hague, dans le Nord-Cotentin. |
Les différentes solutions envisagées pour un stockage des déchets à vie longue |
Un programme de recherches, défini par la loi du 30 décembre 1991, a fixé un délai de 15 ans pour explorer différentes solutions à l’amélioration de ce stockage :
| - L’implantation d’un laboratoire de recherches à 400 mètres de profondeur dans la Meuse collectant les données géologiques du site en vue d’un éventuel stockage souterrain.
- La transmutation, c’est à dire le bombardement de protons ou de neutrons sur des déchets à vie longue pour les transformer en déchets à vie plus courte.
- L’amélioration des techniques chimiques de séparation des déchets à vie longue afin de réduire leur volume et leur activité.
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Une décision sur le mode de gestion définitif des déchets nucléaires à vie longue sera prise par le Parlement et le Gouvernement à l’issue de ces recherches, vers 2006.
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