Dossier | L'énergie nucléaire | Le fonctionnement d'un réacteur nucléaire

La fission nucléaire (1/3)

Une centrale électrique est une usine qui produit de l’électricité. Il existe des centrales thermiques, des centrales hydrauliques… et des centrales nucléaires. Toutes sont basées sur le même principe : faire tourner une turbine couplée à un alternateur qui fabrique de l’électricité. La différence de fonctionnement se situe au niveau de l’entraînement de la turbine. Dans les centrales hydrauliques, l’eau des barrages actionne la turbine. Dans les centrales thermiques classiques, un combustible fossile (charbon, gaz naturel ou pétrole) est brûlé pour transformer de l’eau en vapeur capable d’entraîner la turbine. Dans les centrales nucléaires, les noyaux d’uranium remplacent le combustible fossile. En se cassant, ces gros noyaux libèrent de l’énergie nucléaire, qui sera utilisée pour produire de la vapeur d’eau laquelle, de la même manière que dans les centrales thermiques, peut activer la turbine.
Le premier réacteur nucléaire est construit en 1942, aux États-Unis, par Enrico Fermi. Il est constitué d’un empilement de 6 tonnes d’uranium métallique, 34 tonnes d’oxyde d’uranium et 400 tonnes de graphite. La “pile de Fermi” (appelée ainsi à cause des empilements) génère une puissance de 0,5 watt seulement. En France, le premier réacteur d’essai Zoé, est construit par le CEA dans son centre d’études de Fontenay-aux-Roses. Cette pile fonctionne pour la première fois le 15 décembre 1948. En 1953, sa puissance est portée à 150 kW et elle cesse de fonctionner en 1976. Depuis, le bâtiment Zoé a été transformé en “musée de l’Atome”.
Aujourd’hui, les réacteurs des centrales nucléaires françaises délivrent de 900 à 1 450 mégawatts* d’électricité. La chaudière nucléaire – présente dans les réacteurs – constitue la partie de la centrale nucléaire fournissant la chaleur nécessaire à la production de vapeur d’eau. Les autres éléments (turbine, alternateur, etc.) sont communs à toutes les centrales.

* Mégawatt : un million de watts.

Juillet 2012

LES ATOMES FISSILES

Le noyau de certains gros atomes a la propriété de se casser en deux sous l’effet d’une collision avec un projectile bien choisi. En l’occurrence, le neutron est un projectile particulièrement bien adapté.
En effet, sans charge électrique, cette particule a la faculté d’approcher suffisamment près le noyau, chargé positivement, sans être repoussée par des forces électriques. Le neutron peut alors pénétrer à l’intérieur de ce noyau et le briser en deux morceaux. Il ne s’agit pas d’une explosion du noyau sous l’effet du choc mécanique avec le neutron, mais d’une cassure interne déclenchée par l’arrivée de ce neutron supplémentaire.

C’est le résultat du bouleversement induit lors de l’intégration du neutron arrivant dans le noyau, sous l’action de la force nucléaire (voir dossier pédagogique L’énergie nucléaire : fusion et fission). La fragmentation du noyau est appelée réaction de fission. Un atome ayant la faculté de se briser en deux lors d’une collision est dit fissile. Les plus connus d’entre eux sont l’uranium 235 et le plutonium 239. Les deux morceaux obtenus après la fission d’un gros noyau sont les produits de fission. Ils sont la plupart du temps radioactifs.

L'ÉNERGIE LIBÉRÉE PAR LA FISSION

La réaction de fission d’un noyau s’accompagne d’un grand dégagement d’énergie.
Les deux produits de fission emportent une grande partie de cette énergie sous forme cinétique : ils sont éjectés avec une grande vitesse (8 000 km/s). Ils se frayent un chemin parmi les autres atomes en les “bousculant” car ils constituent de gros projectiles.

Au cours de ces chocs, ils perdent rapidement leur vitesse (et donc leur énergie) en échauffant la matière environnante et s’arrêtent dans la masse d’uranium. Leur énergie de départ se trouve finalement transformée en chaleur : localement, la température de l’uranium augmente. Le principe d’un réacteur nucléaire consiste à récupérer cette chaleur pour la transformer en électricité.

LES NEUTRONS ET LA RÉACTION EN CHAÎNE

Chaque fission produit aussi en moyenne deux à trois neutrons d’énergie élevée qui se déplacent à très grande vitesse (20 000 km/s) parmi les atomes d’uranium. L’énergie emportée par les neutrons représente une faible partie de l’énergie totale libérée lors de la fission, l’essentiel de cette énergie étant emporté par les produits de fission. Mais les neutrons étant de masse faible par rapport aux produits de fission, leur vitesse est très grande.
Projectiles de petite dimension, neutres électriquement, les neutrons vont pouvoir se propager relativement loin avant d’interagir avec un autre noyau d’atome. S’il s’agit d’un atome d’uranium 235, ils donneront éventuellement lieu à une nouvelle fission.

Les deux ou trois neutrons libérés lors d’une fission vont pouvoir provoquer à leur tour de nouvelles fissions et la libération de nouveaux neutrons et ainsi de suite… c’est la réaction en chaîne.

Dans un réacteur nucléaire, la réaction en chaîne est maîtrisée pour maintenir un rythme de fissions constant. C’est-à-dire que sur les deux ou trois neutrons libérés lors d’une fission, seul l’un d’entre eux en provoque une nouvelle, les autres étant capturés. Un équilibre doit être atteint : une fission donne une fission, qui donne une fission, qui donne une fission, etc. (et non pas une fission donne deux fissions qui donnent quatre fissions, qui donnent huit fissions, etc.). La quantité de chaleur libérée à chaque seconde dans la masse d’uranium est ainsi parfaitement contrôlée.

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