Fonctionnement des réacteurs nucléaires

Au moment de la découverte des éléments radioactifs il y a plus d’un siècle, les scientifiques ont constaté que le rayonnement pouvait être une puissante source d’énergie, mais il fallait réaliser de nombreuses avancées technologiques avant de pouvoir tirer parti de l’énergie nucléaire pour produire de l’électricité de façon efficace et sûre.

Les réacteurs nucléaires sont très complexes, mais ils reposent sur un procédé très simple.

Fission

Combustible d’uranium

L’énergie nucléaire part de l’uranium, métal lourd extrait de mines canadiennes, qui est très légèrement radioactif. De fait, on pourrait se tenir sans risque à proximité de combustible d’uranium pendant une longue période.

On trouve trois variétés (ou isotopes) d’uranium naturel, dont le poids varie légèrement. Une variété, l’uranium 235, peut se diviser – ou « fissionner » – lorsqu’elle entre en collision avec de minuscules particules appelées « neutrons ». Lorsqu’il se divise, l’atome d’uranium dégage une chaleur très intense, qui peut être convertie en électricité.

Une réaction en chaîne

La fission des atomes d’uranium libère encore plus de neutrons ainsi que de la chaleur. Si d’autres atomes d’uranium 235 entrent en collision avec ces neutrons, le processus recommence – une autre fission se produit et encore plus de chaleur et de neutrons sont libérés.

C’est ce qu’on appelle la « réaction en chaîne ». Les réacteurs permettent de contrôler cette réaction.

Le processus nucléaire

Pour produire de l’électricité à partir de cette réaction en chaîne, il faut franchir plusieurs étapes.

  1. Les opérateurs chargent le combustible d’uranium dans le cœur du réacteur. Les atomes d’uranium entrent en collision avec les neutrons, ce qui déclenche la réaction en chaîne. Cette réaction peut se poursuivre tant qu’il reste du combustible fissile dans le cœur.
  2. Les neutrons participant à la réaction en chaîne se déplacent à plusieurs vitesses différentes, mais les plus lents sont les plus efficaces pour diviser les atomes d’uranium. Le cœur du réacteur baigne dans un modérateur – un fluide comme l’eau –, qui ralentit les neutrons.
  3. Les opérateurs veillent à ce que la réaction soit contrôlée et stable de sorte que le réacteur génère de la chaleur sans devenir trop chaud. Ils insèrent les barres de commande dans le cœur du réacteur et les en retirent. Ces barres sont faites de matériaux qui absorbent les neutrons et ralentissent ou interrompent la fission au besoin.
  4. Comme le réacteur pourrait devenir très chaud, un autre fluide, le caloporteur, circule à travers le cœur du réacteur pour le refroidir.
  5. Comme l’eau que l’on verse sur des œufs durs pour les refroidir, le caloporteur devient chaud – mais c’est une chaleur très utile. Le caloporteur porté à ébullition se transforme en vapeur sous pression, qui actionne les turbines.
  6. En tournant, les turbines libèrent l’énergie qui se transforme en électricité.
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Source : Candu.

Tous les réacteurs modernes reposent sur le même processus de base, mais certains utilisent différents types de modérateur, de caloporteur et de combustible. Dans les réacteurs CANDU en exploitation au Canada, le modérateur est de l’eau lourde, le caloporteur est de l’eau lourde et le combustible est de l’uranium naturel.

Les réacteurs nucléaires sont-ils efficaces?

Vous serez peut-être étonnés d’apprendre qu’au bout de toutes ces étapes on ne fait que porter de l’eau à ébullition. Mais il s’agit d’un processus très efficace. Et, comme l’uranium renferme énormément d’énergie, les réacteurs nucléaires sont avantageux également du point de vue économique.

Une seule pastille de combustible de 20 g d’uranium naturel peut produire autant d’énergie que 400 kilos de charbon, 410 litres de mazout ou 350 mètres cubes de gaz naturel. Huit pastilles pourraient alimenter une habitation moyenne pendant toute une année.

The-power-of-uranium

Sources : 

Association nucléaire canadienne, https://cna.ca/fr/.