Introduction
La maîtrise de l’approvisionnement en énergie est un enjeu essentiel du monde de demain. Plusieurs modes de production d’électricité, qui s’appuient sur différentes sources d’énergie, coexistent aujourd’hui : les énergies renouvelables (hydraulique, éolien, solaire…), l’énergie thermique à combustion (charbon, gaz, pétrole) et nucléaire. Ces modes de production (hors photovoltaïque) s’appuient sur des centrales, basées sur le même principe : faire tourner une turbine couplée à un alternateur pour produire de l’électricité. La différence de fonctionnement se situe au niveau de l’entraînement de la turbine.
Dans les centrales hydrauliques, c’est l’eau des barrages qui actionne la turbine. Dans les centrales thermiques classiques, elle est activée par la vapeur d’eau obtenue lorsque le combustible fossile (charbon, gaz naturel ou pétrole) est brûlé. Dans les centrales nucléaires, enfin, des atomes d’uranium, en se cassant, produisent de la chaleur qui transforme l’eau en vapeur, permettant ainsi la mise en mouvement de la turbine.
Le CEA, créé en 1945, est à l’origine du développement de la filière électronucléaire industrielle française. Aujourd’hui, l’énergie nucléaire représente près de 75 % de la production d’électricité française. Le parc, exploité par EDF, est composé de 58 réacteurs nucléaires, d’une puissance de 900 à 1 450 MWe. La loi de transition énergétique, promulguée en août 2015, est venue pérenniser sur le long terme un socle d’énergie nucléaire à 50 % de la production d’électricité.
Des atomes fissiles qui libèrent de l'énergie
Sous l’effet d’une collision avec un neutron, le noyau de certains gros atomes a la propriété de se casser en deux noyaux de taille plus petite. On qualifie alors ce noyau de « fissile » et la réaction de « fission ».
En effet, le neutron, particule sans charge électrique, a la faculté de pouvoir s’approcher suffisamment près du noyau, chargé positivement, sans être repoussé par des forces électriques. Il peut alors pénétrer à l’intérieur et le briser en deux morceaux, appelés produits de fission, la plupart du temps
radioactifs. Le seul noyau fissile naturel est l’uranium 235.
La réaction de fission d’un noyau s’accompagne d’un grand dégagement d’énergie. L’énergie emportée par les neutrons représente une faible partie de l’énergie totale libérée. L’essentiel de celle-ci est emporté par les produits de fission sous forme d’énergie cinétique. Ejectés avec une vitesse de l’ordre de 8 000 km/s, ils se frayent un chemin parmi les autres atomes en les « bousculant ». Lors de ces chocs, ils perdent rapidement de la vitesse (et donc de l’énergie) en échauffant la matière environnante, puis ils s’arrêtent dans la masse d’uranium. Leur énergie de départ se trouve finalement transformée en chaleur : localement, la température de l’uranium augmente. Dans un réacteur nucléaire électrogène, on récupère cette chaleur pour produire de l’électricité.
Dans un réacteur nucléaire, la réaction en chaîne est maîtrisée afin de maintenir un rythme de fissions constant.
Le saviez-vous ?
Equipe Zoé en attente de la divergence © CEA
Quand les premières réactions de fission en chaîne se produisent au sein d’un réacteur nucléaire, on dit qu’il diverge.
Le premier réacteur nucléaire, construit par Enrico Fermi, a divergé en 1942 aux États-Unis. En France, le premier réacteur d’essai Zoé (puissance Zéro, Oxyde d’uranium, Eau lourde), construit par le CEA sur son centre de Fontenay-aux-Roses, a divergé le 15 décembre 1948.
Pour en savoir plus
Les neutrons et la réaction en chaîne
Chaque fission produit 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. Ces projectiles de petite dimension, neutres électriquement et de masse faible par rapport aux produits de fission, se propagent relativement loin avant d’interagir avec un autre noyau d’atome. Ils provoquent à leur tour de nouvelles fissions, libérant de nouveaux neutrons et ainsi de suite :
il s’agit de la réaction en chaîne.
Dans un réacteur nucléaire, la réaction en chaîne est maîtrisée. Une grande partie des neutrons est capturée pour maintenir un rythme de fissions constant. Seul un neutron, issu de chaque fission, provoque une nouvelle fission pour libérer régulièrement de l’énergie. La quantité de chaleur libérée chaque seconde dans la masse d’uranium est ainsi contrôlée.
La réaction en chaîne contrôlée dans les réacteurs nucléaires
Réaction en chaîne contrôlée dans les réacteurs nucléaires © CEA/Yuvanoé