TPE 1èreS
L'énergie nucléaire en France

Matthieu Burnand-Galpin
Chandima De Silva
Eran Diler
John Fleury
L'énergie nucléaire en France
I 2 - Fonctionnement: l'exemple de Flamanville
         Aujourd’hui en France, 78% des KWh électriques produits sont d’origine nucléaire. Il existe cinquante-huit réacteurs nucléaires répartis sur dix-neuf sites. La puissance du parc s’élève à quatre-vingt-dix-huit GWe. En 2003, le coût d’investissement du parc nucléaire a été de l’ordre de soixante-dix-sept milliards d’euros. En comparaison, le parc nucléaire a permis une économie de dix milliards d'euros en 2005 par rapport à un parc thermique au gaz.
         Nous verrons dans cette partie le fonctionnement et la composition d’une centrale nucléaire, grâce à la visite effectuée sur le site nucléaire de Flamanville.

         Une centrale nucléaire est une usine de production d'électricité. Les 58 réacteurs qui existent en France sont des réacteurs à eau sous pression (REP). Une centrale nucléaire est composée de trois circuits indépendants dont les contenus n’entrent jamais en contact.


         L'uranium, légèrement "enrichi" dans sa variété - ou "isotope"- 235, est conditionné sous forme de petites pastilles. Celles-ci sont empilées dans des gaines métalliques étanches réunies en assemblages appelées crayons. Placés dans une cuve en acier remplie d'eau, ces assemblages forment le cœur du réacteur. Ils sont le siège de la réaction en chaîne, qui les porte à haute température. Lorsqu’un neutron est projeté sur un atome d’uranium, le noyau se divise en noyaux plus petits libérant une énergie considérable (environ deux cent millions d’électronvolts). Cette réaction nucléaire s'appelle fission.
La fission
Source : <http://radioactivite2.free.fr/fission.jpg>
         La fission dégage de l'énergie sous forme de chaleur. C'est cette énergie que l'on utilise pour produire de l'électricité. Le phénomène de fission dégage également des rayonnements alpha, bêta ou gamma et libère des neutrons qui viennent alimenter la réaction de fission et bombarder les nouveaux noyaux. C'est pourquoi on parle de réaction en chaîne. Au contact des milliers de crayons de combustible nucléaire, l’eau récupère la chaleur produite par la fission des atomes d’uranium. L'eau de la cuve s'échauffe à leur contact à plus de 300°C. Un pressuriseur maintient la pression à environ cent cinquante cinq bars, ce qui l'empêche de bouillir. Elle circule dans un circuit fermé. Le générateur de vapeur, la pompe, la cuve et le pressuriseur constituent le circuit primaire. Seul ce circuit contient de la radioactivité.


         L'eau du circuit primaire transmet sa chaleur à l'eau circulant dans un autre circuit fermé : le circuit secondaire. L'échange de chaleur s'effectue dans un générateur de vapeur, un grand échangeur de chaleur cylindrique composé de milliers de tubes. La chaleur transforme l'eau du circuit secondaire en vapeur. Un alternateur, couplé à la turbine, convertit finalement l'énergie cinétique en électricité, laquelle alimente le réseau haute tension. Au contact de milliers de tubes dans lesquels circulent de l’eau froide, la vapeur se condense, redevient de l’eau liquide et est renvoyée vers le générateur de vapeur pour un nouveau cycle. La turbine, le condenseur, la pompe et le générateur de vapeur constituent le circuit secondaire de la centrale.

         Pour que le système fonctionne en continu, il faut assurer son refroidissement. C'est pourquoi il y un troisième circuit indépendant des deux autres qui est le circuit de refroidissement. Sa fonction est de condenser la vapeur sortant de la turbine. Pour cela est aménagé un condenseur, appareil formé de milliers de tubes dans lesquels circule de l'eau froide prélevée à une source extérieure : rivière ou mer. Au contact de ces tubes, la vapeur se condense pour se transformer en eau. Quant à l'eau du condenseur, elle est rejetée, légèrement échauffée, c'est-à-dire à environ trois degrés de plus que de la source d'où elle provient. Si le débit de la rivière est trop faible, ou si l'on veut limiter son échauffement, on utilise des tours de refroidissement appelées aéroréfrigérants. L'eau échauffée provenant du condenseur tombe sous forme de pluie (précipitation). Elle est récupérée au pied de l’aéroréfrigérant et entraînée par une pompe, l’essentiel de cette eau retourne vers le condenseur. Cette pluie est refroidie par un grand courant d'air (convection naturelle) par la forme particulièrement aspirante de l’aéroréfrigérant. Dans cette dernière, l’air en refroidissant la pluie se charge en humidité et se transforme en nuage de vapeur d’eau. 1,5 % de cette eau s'évapore dans l'atmosphère, ce qui provoque de grands panaches blancs que l’on voit sortir de la grande cheminée.
Source : <http://www.linternaute.com/science/environnement/dossiers/05/0511- 
         Un site nucléaire est composé de plusieurs bâtiments. Il y a le bâtiment du réacteur qui est constitué d'une double enceinte en béton, qui a une hauteur de soixante mètres et un diamètre de cinquante mètres. Il abrite la cuve du réacteur et les principaux composants nucléaires de la tranche. Il existe également une salle des machines dans laquelle il y a le turboalternateur et le condenseur. Une salle est créée à proximité d’un fleuve ou de la mer pour le pompage de l’eau qui se situe dans le circuit tertiaire.

         Une centrale nucléaire regroupe l’ensemble des installations permettant la production d’électricité sur un site donné. Elle comprend fréquemment plusieurs tranches. Une tranche nucléaire est l'ensemble constitué du réacteur et du système de production d'électricité qui lui est associé : la turbine et l'alternateur. Dans presque tous les cas, une centrale comporte plusieurs tranches. Toutes les fonctions importantes d'une tranche nucléaire sont commandées et surveillées depuis la salle de commande. Les opérateurs, ou "pilotes", veillent au bon fonctionnement de l'installation et ajustent la puissance du réacteur à la demande du réseau électrique.

Salle de commande de la centrale de Chooz
(EDF - Photo : G. LARVOR)
         La marche d'un réacteur nucléaire peut être contrôlée avec précision. Pour le faire démarrer, pour l'arrêter, pour le faire fonctionner à différents niveaux de puissance, on agit sur l'intensité de la réaction en chaîne au moyen de barres de contrôle constituées de matériaux qui ont la faculté d'absorber les neutrons. La descente de ces barres dans le cœur du réacteur provoque l'absorption des neutrons et donc le ralentissement de la réaction en chaîne.

         On peut ainsi faire varier la puissance du réacteur en enfonçant plus ou moins profondément les barres de contrôle au milieu des assemblages combustibles contenant l'uranium. En cas de situations anormales, des barres de sécurité chutent automatiquement dans le cœur, stoppant instantanément le réacteur.

         Il y a la salle de commande où sont centralisées les principales données relatives au fonctionnement de la tranche. C'est de là que partent les "ordres" transmis par les opérateurs aux différents composants et systèmes. Ce "pilotage" télécommandé fait largement appel à l'automatisation et à l'informatique. Il s'agit là d'aides indispensables pour les opérateurs. Mais ce sont eux qui restent les responsables à part entière du pilotage de la tranche et qui prennent les décisions prévues par les procédures.

         L'exploitation d'une centrale nucléaire met en œuvre des technologies avancées et demande un personnel spécialement formé et entraîné. L'équipe d'exploitation compte plusieurs centaines de personnes, parfois plus de mille selon le nombre de tranches que comporte la centrale. Les agents se relaient vingt-quatre heures sur vingt-quatre pour assurer la conduite et la surveillance des installations.
Ils se répartissent en plusieurs catégories de métiers assurant les différentes missions de l'exploitation. Il y a les agents de conduite qui pilotent les tranches de la centrale, se relayant jour et nuit toutes les huit heures, les agents de sûreté et de radioprotection qui veillent à la sûreté du fonctionnement des équipements et à la sécurité radiologique du personnel, les agents de sécurité qui assurent la protection du site, les agents de maintenance qui surveillent et entretiennent les différents composants et matériels de la tranche, les agents de la chimie et de l'environnement qui analysent les fluides et gaz utilisés ou rejetés par la centrale et effectuent les contrôles de l'environnement sur le site et dans le voisinage de l'installation, et les agents de la gestion et de l'administration qui gèrent le budget et assurent les tâches administratives, commerciales, de relations extérieures et de communication liées au fonctionnement de la centrale.

         Une centrale nucléaire rassemble et relie entre eux, selon une organisation complexe, des milliers de composants comme les réservoirs, les tuyauteries, les vannes, les pompes, les filtres, les câbles électriques, les instruments de mesure, et les circuits informatiques.
Cet ensemble doit impérativement être maintenu en état de bon fonctionnement. C'est la condition pour garantir la sécurité du personnel, la sûreté et la performance de l'installation. Dans les centrales françaises, cette maintenance est organisée à trois niveaux complémentaires.

         Tout d’abord, il y a la maintenance quotidienne.
Les agents de maintenance surveillent de façon continue l'état des équipements et effectuent les ajustements ou réparations nécessaires.

         Ensuite, il y a la maintenance annuelle programmée. Chacune des tranches de la centrale est arrêtée durant 5 à 6 semaines pour un rechargement en combustible et pour des opérations d'entretien de grande ampleur. A cette occasion, des techniciens et ouvriers venus d'entreprises extérieures apportent leur aide aux agents d'EDF pour ce travail de révision. A Flamanville, cette maintenance a lieu tous les dix-huit mois et un tiers des combustibles est remplacé.

         Enfin, une visite décennale est organisée pendant laquelle il y a cent jours d’arrêt.
Une inspection complète et détaillée de la tranche est effectuée. Les principaux composants tels que la cuve, le circuit primaire, les générateurs de vapeur, et les pressuriseurs font l'objet d'examens et tests approfondis.
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