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Les réacteurs nucléaires

Les composants d'un réacteur nucléaire


Il existe de nombreuses filières de réacteurs nucléaires. Toutefois, ces réacteurs ont tous en commun plusieurs composants tels que le combustible, les barres de commande, le modérateur et le caloporteur.

Publié le 8 août 2016
Les 58 réacteurs nucléaires en exploitation en France sont électrogènes. Leur objectif est de produire de l’électricité, en récupérant et véhiculant la chaleur produite par les réactions de fission jusqu’à une turbine et un alternateur. Les principaux composants spécifiques d’un réacteur se situent dans l’îlot nucléaire. Siège des réactions de fission nucléaire, il englobe la chaudière nucléaire et les installations relatives au combustible, ainsi que les équipements nécessaires au fonctionnement et à la sécurité de cet ensemble. L’autre partie de la centrale nucléaire, l’îlot conventionnel, se compose entre autres de la turbine, de l’alternateur et du condenseur.


Le combustible

Le combustible d’une centrale nucléaire contient des atomes fissiles dont on va extraire de l’énergie par fission. Celui le plus souvent utilisé est l’uranium 235. Comprimé en pastilles, le combustible est inséré dans des gaines étanches, appelées « crayons combustible ». Ces derniers sont ensuite réunis en faisceaux dans des assemblages de combustible placés dans le cœur du réacteur.

Infographie sur le combustible nucléaire
Infographie sur le combustible nucléaire © F. Mathé/CEA

Salle de commande d'un réacteur électrogène
Salle de commande d’un réacteur électrogène © EDF/Patrice Dhumes

Les barres de commande, piégeuses de neutrons

Dans un réacteur, le contrôle permanent de la réaction en chaîne est assuré grâce à des barres de commande, également appelées barres de contrôle, faites dans un matériau capable d’absorber les neutrons. Ces barres sont mobiles dans le cœur du réacteur : elles peuvent être descendues pour réduire le taux de fission, remontées pour le maintenir ou l’augmenter. En cas d’incident, la chute de ces barres au sein du combustible stoppe presque instantanément la réaction en chaîne.


Le modérateur, ralentisseur de neutrons

Le modérateur ralentit les neutrons afin qu’ils rencontrent des atomes et provoquent une fission.

La plupart des réacteurs comporte ce que l’on appelle un modérateur. Son rôle est de ralentir les neutrons libérés lors de la fission nucléaire, trop énergétiques pour provoquer efficacement une nouvelle fission. Les neutrons sont freinés lorsqu’ils traversent une matière composée d’atomes à noyaux légers qui ne les absorbe pas, comme de l’eau ou du graphite par exemple. Au final, cela permet de les ralentir, les faisant passer d’une vitesse initiale de l’ordre de 20 000 km/s à une vitesse d’environ 2 km/s.


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Fonctionnement d'une centrale nucléaire de type REP © C. Beurtey/CEA


Le caloporteur, transporteur de chaleur

L’énergie libérée sous forme de chaleur lors de la fission des noyaux d’uranium 235 doit être transportée hors du cœur du réacteur, vers les systèmes qui transformeront cette chaleur en électricité : turbine et alternateur. Ce rôle est assuré par le caloporteur, le fluide d’extraction de la chaleur produite par le combustible nucléaire. Celui-ci peut être de l’eau, un métal liquide (sodium ou plomb) ou un gaz (gaz carbonique ou hélium). Le caloporteur permet par ailleurs de maintenir la température du combustible à sa valeur nominale, compatible par exemple avec la tenue des matériaux.


Le générateur de vapeur, échangeur de chaleur

Un échangeur de chaleur permet de transférer de la puissance thermique d’un circuit à un autre. Par exemple, dans le cas des réacteurs à eau sous pression (les REP), le caloporteur primaire est l’eau qui sort du cœur du réacteur à une température élevée, environ 330 °C, et est maintenue à une pression élevée, environ 150 bars, pour éviter qu’elle ne se transforme en vapeur. Cette eau passe ensuite dans un générateur de vapeur qui permet le transfert de puissance thermique entre les circuits primaire et secondaire. L’ensemble est dimensionné pour porter l’eau du circuit secondaire à ébullition et ainsi produire de la vapeur. En se détendant, celle-ci entraîne la rotation d’une turbine, couplée à un alternateur qui va produire de l’électricité. Ce circuit est également nommé circuit de conversion d’énergie ; l’énergie thermique a été convertie en énergie mécanique puis électrique. A noter qu’un troisième circuit est destiné au refroidissement et à la condensation de la vapeur.

Pour les réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium (RNR-Na), le caloporteur primaire est du sodium, un métal liquide qui sort du cœur à environ 550 °C et basse pression (quelques bars). Le circuit de conversion d’énergie est basé sur le même principe que celui d’un REP : un générateur de vapeur produit de la vapeur qui va se détendre dans une turbine couplée à un alternateur. La différence majeure est l’interposition d’un circuit supplémentaire entre le circuit primaire en sodium basse pression et le circuit de conversion d’énergie en eau/ vapeur haute pression. L’objectif de ce circuit intermédiaire est de tenir compte du risque d’interaction entre le sodium et l’eau en découplant le risque radiologique présent dans le circuit primaire des autres risques. Au final, deux échangeurs de chaleur sont donc nécessaires entre le circuit primaire et le circuit de conversion d’énergie.


L'enceinte de confinement

Il s’agit d’une enceinte en acier et/ou en béton armé, contenant la cuve du réacteur, le circuit primaire, les générateurs de vapeur, ainsi que les principaux éléments importants pour la sûreté du réacteur. Etanche, elle a pour rôle d’éviter les fuites d’éléments radioactifs dans l’environnement, notamment en cas d’accident majeur comme la fusion du cœur (forte hausse de la température entraînant la fonte du combustible).