Centrale nucléaire

Énergie nucléaire

Commençons par apprendre la définition de l'énergie nucléaire. L'énergie nucléaire est l'électricité produite à partir de réactions nucléaires.

Plus l'atome est gros, plus il présente d'énergie nucléaire. Pour accéder à cette énergie, les atomes doivent être divisés. C'est ce que l'on appelle la fission. L'énergie nucléaire est unique : la densité énergétique du combustible nucléaire est environ \( 2 \) millions de fois supérieure à celle de n'importe quel autre produit chimique !

Centrales nucléaires : Centrales électriques

Aujourd'hui, plus de \( 400 \) centrales nucléaires dans le monde produisent \( 400 GW \) (gigawatts) d'électricité, soit assez pour alimenter \( 400 \) millions de foyers pendant un an !

Réacteur nucléaire

Le réacteur nucléaire est le cœur de toute centrale nucléaire. Toutefois, en dehors du réacteur principal, une centrale nucléaire produit de l'électricité d'une manière étonnamment similaire à celle d'une centrale au charbon.

En fin de compte, l'énergie libérée par les réactions nucléaires à l'intérieur d'un réacteur est simplement utilisée pour chauffer et faire bouillir de l'eau. La vapeur produit alors un travail mécanique qui fait tourner une turbine et génère de l'électricité. La vapeur est ensuite refroidie dans le condenseur pour être réutilisée dans le réacteur.

Les centrales nucléaires sont un exemple de moteur thermique.

Centrale nucléaire : Explication et diagramme

Avant de commenter le fonctionnement d'une centrale nucléaire, rappelons le concept de désintégration radioactive.

Tous les éléments présentent le même nombre de protons chargés positivement et d'électrons chargés négativement. Mais ils peuvent présenter des nombres différents de neutrons.

Ces isotopes sont parfois instables. Ces atomes se désintègrent en libérant des produits de fission (un ensemble de particules subatomiques) et un rayonnement ionisant pour se transformer en un élément plus petit et plus stable.

Les isotopes qui subissent plus d'une étape de désintégration sont les plus utiles pour produire de l'énergie nucléaire.

Centrales nucléaires : fission nucléaire

Une centrale nucléaire (également appelée réacteur nucléaire) est une série de machines qui contrôlent la fission nucléaire pour produire de l'électricité. La plupart des centrales utilisent l'uranium comme combustible, en particulier l'isotope \( 235 \) de l'uranium.

Ressources énergétiques

On peut également utiliser un isotope du plutonium (plutonium \( 239 \) ).

Les atomes du combustible nucléaire sont forcés de se briser. En se divisant, les atomes libèrent des produits de fission. Ceux-ci incitent les atomes voisins à se diviser, ce qui déclenche une réaction en chaîne.

En se séparant, les atomes libèrent de l'énergie sous forme de chaleur :

• Cette chaleur est utilisée pour transformer l'eau en vapeur ;
• La vapeur entraîne des turbines (conversion de la chaleur en énergie cinétique) ;

• Le mouvement des turbines entraîne un générateur (conversion de l'énergie cinétique → énergie électrique).

Pour empêcher les réactions en chaîne de devenir incontrôlables, les centrales nucléaires contiennent des barres de contrôle en bore. Ces barres absorbent les neutrons, les empêchant de diviser d'autres atomes d'uranium. L'élévation des barres accélère le taux de désintégration, tandis que leur abaissement le ralentit.

Techniques d'extraction de l'uranium

Comment l'uranium est-il extrait de la croûte terrestre ?

• Exploitation à ciel ouvert : le forage et l'abattage à l'explosif créent un grand trou dans le sol, exposant le minerai. Le minerai est ensuite extrait à l'aide de techniques d'abattage et d'excavation.
• Exploitation souterraine : les minerais souterrains sont extraits à l'aide de tirs à l'explosif, de forages pneumatiques, de pics et de pelles. Cette technique d'extraction expose les travailleurs au radon, un gaz nocif.
• Lixiviation in situ : Des produits chimiques sont utilisés pour séparer l'uranium de la roche environnante. Les produits chimiques sont principalement de l'acide sulfurique ou du bicarbonate de sodium. La lixiviation in situ est la principale méthode d'extraction de l'uranium.

Réacteurs nucléaires à base de thorium

Des réacteurs nucléaires à base de thorium ont été présentés comme une alternative aux réacteurs à base d'uranium. Il s'agirait de réacteurs à sels fondus, le thorium restant un combustible liquide, plus sûr que les réacteurs à l'uranium. Les réacteurs au thorium produiraient moins de déchets radioactifs. En outre, le thorium est environ trois fois plus abondant que l'uranium.

Cependant, les réacteurs à sels fondus sont difficiles et très coûteux à développer. Il faudra attendre des décennies avant qu'un réacteur au thorium soit commercialisé.

Complications de la densité de l'énergie nucléaire

Nous avons appris précédemment que les combustibles nucléaires présentent une densité énergétique énorme, bien supérieure à celle de tout autre combustible.

S'il y a tant d'énergie dans le combustible nucléaire, pourquoi ne présentons-nous pas plus d'électricité que nous ne pourrons jamais en avoir besoin ? Il faut tenir compte de plusieurs facteurs :

• Enrichissement : seule une petite partie des matières extraites est utilisée dans les centrales électriques.
• Consommation de combustible : seules \( 6 \% \) de l'énergie du combustible sont extraites dans les centrales traditionnelles.
• Rendement thermique : les centrales nucléaires ne peuvent convertir que \( 33 \% \) de la chaleur en électricité.

Malgré ces réductions de la densité énergétique effective, la fission nucléaire reste un outil efficace et utile pour produire de l'électricité.

Centrales nucléaires et fusion nucléaire

La fusion nucléaire se produit lorsque les noyaux de deux éléments légers sont forcés de s'assembler pour former un noyau d'un élément plus lourd.

On estime que les réactions de fusion produisent quatre fois plus d'énergie que les réactions de fission, sans déchets radioactifs ! Les centrales à fusion pourraient donc être révolutionnaires, mais les scientifiques peinent à mettre au point la technologie appropriée. La fusion nucléaire nécessite des températures supérieures à \( 100 000 000 ºC \) , ce qui est difficile à réaliser sur Terre.

Les chercheurs se concentrent sur les réactions de fusion de l'hydrogène, en utilisant les isotopes lourds deutérium et tritium. Lorsqu'ils sont combinés, ils produisent des noyaux d'hélium. Ce processus libère de grandes quantités d'énergie et se produit à des températures plus basses que celles des autres éléments.

Réacteurs toroïdaux

Certaines centrales expérimentales de fusion utilisent une machine appelée tokamak. Elle confine un plasma à l'aide d'un champ magnétique, créant une forme de beignet appelée tore.

Les bobines magnétiques génèrent un "champ toroïdal" intense. Au centre du tore, un autre aimant crée un "champ poloïdal". Ces champs magnétiques fonctionnent ensemble, confinant les particules dans le plasma et créant les conditions nécessaires à la fusion nucléaire.

Fusion au laser

Lors de la fusion par laser, du deutérium et du tritium sont ajoutés à une chambre d'explosion et comprimés à des densités élevées à l'aide d'un faisceau laser intense. La densité élevée et la chaleur dégagée par la compression créent les conditions nécessaires à la fusion nucléaire.

L'un des inconvénients des techniques de fusion laser est que les lasers sont relativement inefficaces pour convertir l'énergie électrique en énergie lumineuse. De plus, une partie de la lumière laser est réfléchie ou dispersée.

Centrales nucléaires dans le monde

Plus de \( 30 \) pays utilisent l'énergie nucléaire pour produire de l'électricité. Quels sont les dix plus grands producteurs ?

Bien que les États-Unis produisent le plus d'électricité à partir de l'énergie nucléaire, c'est la France qui produit la plus grande part de son électricité à partir de l'énergie nucléaire (environ \( 70 \% \) .

Centrales nucléaires en France

La France compte \( 58 \) réacteurs nucléaires répartis dans \( 19 \) centrales en activité. Les \( 19 \) centrales nucléaires sont réparties dans le nord, le centre et le sud de la France. Elles sont implantées dans les villes suivantes :

• Fessenheim ;
• Bugey ;
• Saint-Alban ;
• Chinon ;
• Civaux ;
• Tricastin ;
• Gravelines ;
• Paluel ;
• Flamanville ;
• Dampierre ;
• Golfech ;
• Nogent-sur-Seine ;
• Saint-Laurent-des-Eaux ;
• Cruas ;
• Blayais ;
• Penly ;
• Cattenom ;
• Froidchapelle.

En \( 2017 \) , l'énergie nucléaire a produit \( 75 \% \) de l'électricité du pays.

Énergie nucléaire : Avantages et inconvénients

L'énergie nucléaire présente plusieurs avantages par rapport aux sources d'énergie non renouvelables. Les déchets produits par les réacteurs nucléaires sont toxiques, mais les déchets radioactifs finissent par se désintégrer en substances inoffensives telles que le plomb, même si cela peut prendre jusqu'à un million d'années. En outre, les combustibles nucléaires tels que l'uranium sont beaucoup plus denses que les combustibles fossiles traditionnels, de sorte que la production physique de déchets est beaucoup moins importante. Enfin, les sources d'énergie renouvelables vertes telles que l'énergie solaire ou éolienne ne peuvent pas produire autant d'énergie que l'énergie nucléaire et dépendent généralement des conditions météorologiques.

Qu'est-ce qui donne à l'énergie nucléaire un avantage sur les combustibles fossiles ?

Il est important de reconnaître qu'aucune ressource énergétique n'est parfaite. Quels sont donc les inconvénients de l'énergie nucléaire ?

J'espère que ce résumé de cours t'a présenté l'énergie nucléaire. Rappelle-toi qu'il s'agit d'électricité produite à partir de réactions nucléaires. L'énergie nucléaire produit de grandes quantités d'électricité sans émissions de carbone ni polluants, mais elle génère des déchets radioactifs qui doivent être stockés avec précaution.