Qu'est-ce qu'un réacteur à eau sous pression (REP)

L'énergie nucléaire est une source d'énergie vitale, et les réacteurs à eau sous pression (REP) en sont la mise en œuvre la plus courante. Ces réacteurs utilisent une réaction en chaîne contrôlée pour générer de la chaleur, qui fait tourner les turbines qui produisent l'électricité.

Cet article aborde le fonctionnement interne des réacteurs à eau sous pression, en discutant de leurs composants, de leurs processus et de leurs caractéristiques. Nous examinerons comment la fission produit de l'énergie et explorerons la conception des systèmes du réacteur ainsi que les avantages et les inconvénients de cette conception.

Qu'est-ce qu'un réacteur à eau sous pression

Un réacteur à eau sous pression (REP) est un type de réacteur nucléaire qui utilise de l'eau ordinaire, appelée eau légère, à la fois comme liquide de refroidissement et comme modérateur de neutrons. Cette conception se caractérise par le maintien de l'eau dans la boucle de refroidissement primaire sous haute pression. Cela empêche l'eau de bouillir, même à des températures de fonctionnement élevées. La chaleur générée est ensuite transférée vers une boucle secondaire, produisant de la vapeur pour la production d'électricité. Les REP sont le type de réacteur nucléaire le plus courant utilisé dans les centrales nucléaires du monde entier.

Comment fonctionnent les réacteurs à eau sous pression

Le fonctionnement d’un REP implique plusieurs processus clés, notamment la fission nucléaire, le transfert de chaleur, la production de vapeur, la production d’électricité et le recyclage de l’eau.

Fission nucléaire

La fission nucléaire est le processus au cœur de la production d'énergie dans un REP. Elle implique la fission de noyaux atomiques lourds, comme l'uranium, lorsqu'ils sont bombardés de neutrons. Ce processus de fission libère une grande quantité d'énergie sous forme de chaleur et libère également davantage de neutrons. Ces neutrons libérés peuvent alors induire d'autres réactions de fission, créant une réaction en chaîne auto-entretenue dans le cœur du réacteur. Cette réaction en chaîne est soigneusement contrôlée à l'aide de barres de contrôle qui absorbent les neutrons, garantissant ainsi une vitesse de réaction stable et sûre.

Transfert de chaleur

La chaleur générée par la fission nucléaire dans le cœur du réacteur est transférée vers la boucle primaire de refroidissement. Cette boucle contient de l'eau maintenue sous haute pression pour éviter qu'elle ne bout. L'eau chauffée circule dans le cœur du réacteur puis vers le générateur de vapeur. Dans le générateur de vapeur, cette eau chauffée passe dans des tubes, transférant sa chaleur à l'eau de la boucle secondaire. La boucle primaire de refroidissement fonctionne comme un système fermé, faisant circuler la même eau à plusieurs reprises.

Production de vapeur

La boucle secondaire d'un REP est l'endroit où la vapeur est générée. La chaleur transférée de la boucle primaire à la boucle secondaire chauffe l'eau de la boucle secondaire. Cette eau se transforme en vapeur à haute pression. Cette vapeur à haute pression est utilisée pour actionner les turbines. La séparation des boucles d'eau primaire et secondaire garantit que toutes les matières radioactives restent contenues dans la boucle primaire, ce qui améliore la sécurité.

Production d'électricité

La vapeur à haute pression produite dans le générateur de vapeur est dirigée vers une turbine. La force de la vapeur fait tourner les pales de la turbine, qui est reliée à un générateur d'électricité. Le générateur convertit l'énergie mécanique de la turbine en rotation en énergie électrique. Cette électricité est ensuite distribuée par le biais des réseaux électriques aux habitations et aux industries.

Condensation et recyclage de l'eau

Après avoir traversé la turbine, la vapeur est refroidie et recondensée en eau dans un condenseur. Ce procédé permet de recycler l'eau dans la boucle secondaire. Elle est préchauffée et renvoyée au générateur de vapeur pour être réutilisée. Ce système en boucle fermée minimise la consommation d'eau et maximise l'efficacité.

Composants des réacteurs à eau sous pression

Plusieurs composants clés composent un REP :

Noyau du réacteur

Le cœur du réacteur est le lieu où se déroule la fission nucléaire et se compose de :

• Barres et assemblages de combustible:Les crayons de combustible, contenant le combustible nucléaire, sont disposés en assemblages. Ces assemblages sont immergés dans l'eau à l'intérieur du cœur du réacteur.
• Carburant:L'uranium enrichi est utilisé comme combustible. Il se présente généralement sous forme de pastilles de céramique.
• Barres de contrôle:Ces tiges sont constituées de matériaux absorbant les neutrons, comme le bore ou le cadmium. Elles sont insérées dans le noyau pour réguler le taux de fission nucléaire en absorbant les neutrons et en maintenant une réaction en chaîne stable.

Cuve sous pression du réacteur

La cuve du réacteur est un grand récipient robuste qui abrite le cœur du réacteur, le liquide de refroidissement et d'autres composants internes. Elle est conçue pour résister à des températures et des pressions élevées.

Modérateur et liquide de refroidissement

L'eau ordinaire (eau légère) sert à la fois de modérateur de neutrons et de fluide caloporteur dans un REP. En tant que modérateur, elle ralentit les neutrons libérés lors de la fission, ce qui les rend plus susceptibles de provoquer des réactions de fission supplémentaires. En tant que fluide caloporteur, elle évacue la chaleur générée par la fission.

Pressuriseur

Le pressuriseur est un récipient relié à la boucle primaire qui maintient le système à une pression élevée et constante. Il utilise des éléments chauffants et de l'eau pour contrôler la pression du liquide de refroidissement primaire, l'empêchant ainsi de bouillir.

Générateur de vapeur

Le générateur de vapeur transfère la chaleur de la boucle de refroidissement primaire à la boucle secondaire. L'eau de la boucle secondaire est transformée en vapeur, qui est ensuite utilisée pour actionner les turbines.

Boucle de liquide de refroidissement primaire

La boucle primaire de refroidissement est un système fermé contenant le cœur du réacteur, le pressuriseur et le générateur de vapeur. Elle fait circuler de l'eau à haute pression pour transférer la chaleur du cœur du réacteur au générateur de vapeur.

Boucle de liquide de refroidissement secondaire

La boucle de refroidissement secondaire contient le générateur de vapeur, la turbine, le condenseur et la tuyauterie associée. Elle est séparée de la boucle primaire. Elle transporte la vapeur vers la turbine et renvoie l'eau vers le générateur de vapeur.

Caractéristiques principales des réacteurs à eau sous pression

Plusieurs caractéristiques clés définissent les REP :

• Système d'eau sous pression:La boucle de refroidissement primaire est maintenue à haute pression pour empêcher l’eau de bouillir, permettant un transfert de chaleur efficace à haute température.
• Système à deux boucles:La séparation des boucles de refroidissement primaire et secondaire empêche les matières radioactives d'atteindre la turbine à vapeur et garantit la sécurité.
• Réacteur à eau légère:Les REP utilisent de l’eau ordinaire à la fois comme modérateur de neutrons et comme liquide de refroidissement, qui est à la fois facilement disponible et efficace pour le processus.

Avantages des réacteurs à eau sous pression

• Fonctionnement stable : L'utilisation d'un coefficient de température négatif garantit l'autorégulation du réacteur. Si la température augmente, le taux de fission diminue, ce qui évite les surtensions incontrôlées.
• Transfert de chaleur efficace : L’eau est un excellent liquide de refroidissement, ce qui rend l’évacuation de la chaleur du cœur du réacteur efficace.
• Séparation des boucles : La séparation des boucles primaire et secondaire empêche les matières radioactives de pénétrer dans le système de turbine à vapeur, améliorant ainsi la sécurité.

Inconvénients des réacteurs à eau sous pression

• Haute pression : La haute pression dans la boucle de refroidissement primaire nécessite des systèmes de confinement robustes et coûteux.
• Uranium enrichi : Les REP nécessitent du combustible à base d’uranium enrichi, qui est plus coûteux et plus complexe à produire.
• Corrosion: Les températures et pressions élevées au sein du système réacteur peuvent entraîner au fil du temps la corrosion des composants, nécessitant un entretien et des inspections réguliers.
• Risque d'accidents : Bien que des mesures de sécurité soient en place, la possibilité d’un accident grave avec rejet de radiations demeure une préoccupation, nécessitant des dispositifs de sécurité avancés et une planification d’urgence.
• Gestion des déchets : Les REP produisent des déchets radioactifs qui nécessitent une manipulation, un stockage et une élimination soigneux, ce qui représente un défi environnemental à long terme.