LE COMBUSTIBLE

Le combustible d’une centrale nucléaire contient des atomes fissiles dont on va extraire de l’énergie par fission. Les principaux atomes fissiles sont l’uranium 233, l’uranium 235, le plutonium 239 et le plutonium 241. Seul l’uranium 235 se trouve à l’état naturel. C’est donc le plus souvent lui qui est utilisé comme combustible dans les centrales nucléaires.
Le combustible nucléaire est placé dans le cœur du réacteur (Voir dossier pédagogique Le cycle du combustible nucléaire).

LES BARRES DE CONTRÔLE,
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”, absorbantes de neutrons qui sont, par exemple, à base de bore. Ces barres sont mobiles dans le cœur du réacteur : elles peuvent être remontées ou extraites en fonction du nombre de neutrons à absorber. Elles permettent de piloter le réacteur.
De plus, en cas d’incident, l’enfoncement complet, ou chute, de ces barres au sein du combustible stoppe presque instantanément la réaction en chaîne.

LE CALOPORTEUR,
UN TRANSPORTEUR DE CHALEUR

L’énergie libérée sous forme de chaleur lors de la fission des noyaux d’uranium 235 doit être récupérée pour servir à la production d’électricité. Ce rôle est assuré par le caloporteur. Comme son nom l’indique, il s’agit d’un fluide transporteur de chaleur. En circulant autour des barreaux d’uranium, ce fluide joue deux rôles : prendre la chaleur du combustible pour la transporter hors du cœur du réacteur, et maintenir la température de celui-ci à une valeur compatible avec la tenue des matériaux.
Le combustible est entouré d’une gaine métallique formant un boîtier étanche afin de l’isoler du fluide caloporteur. Cette précaution évite que le combustible, qui est très chaud, soit directement en contact avec le caloporteur, ce qui pourrait provoquer des réactions chimiques entre les deux. Elle empêche aussi que des particules du combustible puissent passer dans le caloporteur et sortir ainsi de la cuve du réacteur. En fait, ce ne sont pas les particules d’uranium qui seraient les plus gênantes si elles passaient dans le caloporteur, mais les produits de fission qui sont radioactifs.

LE MODÉRATEUR,
UN RALENTISSEUR DE NEUTRONS

Outre le combustible gainé, le caloporteur et les barres de contrôle, la plupart des réacteurs comportent ce que l’on appelle un modérateur (voir page précédente). Le rôle de ce dernier est de ralentir les neutrons qui sont souvent trop énergétiques pour provoquer efficacement une nouvelle fission. Ces neutrons, du fait de leur grande énergie, se déplacent à grande vitesse (20 000 km/s). Ce sont des neutrons rapides.
En effet, lorsque les neutrons ont une trop grande vitesse, ils passent trop vite à proximité des atomes d’uranium et les réactions de fission sont difficiles à obtenir. Elles sont rares. Pour que les réactions de fission se produisent plus facilement, et en plus grand nombre, il faut donc ralentir considérablement les neutrons, d’une vitesse de 20 000 km/s jusqu’à une vitesse de l’ordre de 2 km/s. Ces derniers sont alors appelés neutrons lents ou neutrons “thermiques”. Les neutrons sont freinés lorsqu’ils traversent une matière composée d’atomes dont les noyaux ne les absorbent pas. En effet, comme des boules se déplaçant sur une table de billard où se trouvent d’autres boules, les neutrons perdent de la vitesse en rebondissant sur les noyaux. Ce ralentissement se produit rapidement lorsque les obstacles sont des noyaux légers, de masse voisine de celle des neutrons, tels que ceux d’hydrogène. La matière constituée par ces atomes est appelée le modérateur.
Pour un bon fonctionnement du réacteur, combustible et modérateur doivent être alternés : combustible, modérateur, combustible, modérateur…

LE GÉNÉRATEUR DE VAPEUR,
UN ÉCHANGEUR DE CHALEUR

Le caloporteur s’échauffe au contact du combustible. Il sort du cœur du réacteur à une température élevée, entre 300 et 550 °C.
Ce caloporteur est ensuite utilisé pour chauffer l’eau dans un appareil appelé “générateur de vapeur” et la porter à ébullition pour produire de la vapeur. Cette vapeur entraîne ensuite une turbine couplée à un alternateur produisant de l’électricité. À la sortie de la turbine, la vapeur se condense en eau dans un condenseur refroidi par l’eau d’une rivière.
Les générateurs de vapeur n’existent pas dans les centrales à eau bouillante (REB) où la vapeur est directement produite dans le cœur. Il n’y a pas de centrales de ce type en France.