Une seule pastille de combustible d’uranium, à peine plus grande qu’un morceau de sucre, contient autant d’énergie qu’une tonne de charbon. Empiler quelques centaines de milliers de ces pastilles dans une cuve en acier, fissionner leurs atomes dans une réaction en chaîne contrôlée, et l’on peut alimenter une ville en énergie pendant des années sans brûler un seul gramme de combustible fossile. En 2024, les réacteurs nucléaires ont généré un total record de 2 667 térawattheures dans le monde, plus que n’importe quelle autre année de l’histoire. Comment fonctionne un réacteur nucléaire, de la matière première à la prise de courant ? C’est ce qu’explique cet article.
Tout commence par l’uranium
L’uranium est un métal lourd présent dans les roches du monde entier. L’uranium naturel contient deux formes principales : l’uranium-238 (la grande majorité) et l’uranium-235 (moins de 1 %). Seul l’uranium-235 peut entretenir une réaction en chaîne dans les réacteurs classiques ; la matière première doit donc d’abord être enrichie pour augmenter la proportion d’U-235, généralement jusqu’à environ 3 à 5 %.
Dans une installation de fabrication de combustible, l’uranium enrichi est transformé en poudre de dioxyde d’uranium (UO2). Cette poudre est pressée en petites pastilles cylindriques et frittée en une forme céramique dense. Chaque pastille fait un peu moins d’un centimètre de diamètre et un peu plus d’un centimètre de long.
Ces pastilles sont empilées dans de longs tubes en alliage de zirconium résistant à la corrosion. Chaque tube scellé constitue une barre de combustible. En général, plus de 200 barres de combustible sont regroupées en un assemblage combustible. Un cœur de réacteur contient quelques centaines de ces assemblages selon la puissance de la centrale.
La fission atomique : comment les réacteurs nucléaires produisent de l’électricité
Le principe fondamental est la fission nucléaireDivision d'un noyau atomique lourd en deux noyaux plus petits, libérant de l'énergie et des neutrons supplémentaires. Processus de base des réacteurs nucléaires.. Lorsqu’un neutron lent frappe un noyau d’uranium-235, celui-ci se divise en deux noyaux plus petits (par exemple le baryum et le krypton) et libère deux ou trois neutrons supplémentaires. Ces neutrons vont à leur tour fissionner d’autres atomes d’uranium, créant une réaction en chaîne auto-entretenue.
Chaque fission libère environ 200 millions d’électronvolts (MeV) d’énergie, principalement sous forme d’énergie cinétiqueL'énergie qu'un objet possède en raison de son mouvement. Une masse se déplaçant à grande vitesse porte une énergie cinétique proportionnelle à sa masse et au carré de sa vitesse, déterminant sa capacité de destruction lors de l'impact. des fragments de fission. Ces fragments ne pouvant parcourir qu’une distance microscopique dans le combustible solide, leur énergie cinétique se convertit directement en chaleur. Cette chaleur est le moteur de toute centrale nucléaire.
Contrôler la réaction
Un réacteur nucléaire n’est pas une bombe. La réaction en chaîne est soigneusement contrôlée pour produire une quantité de chaleur stable et prévisible.
Deux systèmes le permettent. D’abord, les barres de combustible baignent dans l’eau, qui joue le rôle de modérateur : elle ralentit les neutrons rapides issus de la fission jusqu’à des vitesses où ils sont bien plus susceptibles de déclencher une nouvelle fission. Ensuite, des barres de contrôle en matériaux absorbant les neutrons, comme le bore, l’argent et le cadmium, peuvent être insérées dans le cœur pour capturer des neutrons et ralentir la réaction, ou retirées pour l’accélérer.
La physique elle-même intègre un mécanisme de sécurité. Une faible fraction des neutrons issus de la fission est émise avec un léger retard. Ces neutrons retardés sont le facteur clé qui rend un réacteur contrôlable, laissant aux opérateurs le temps d’ajuster le taux de réaction plutôt que de réagir à des variations instantanées.
De la chaleur à la vapeur, puis aux turbines
Une fois que la fission génère de la chaleur, le reste du processus est conceptuellement simple : faire bouillir de l’eau, produire de la vapeur, faire tourner une turbine.
Il existe deux grandes conceptions utilisées dans les réacteurs commerciaux à travers le monde :
Les réacteurs à eau pressurisée (REP) sont le type le plus répandu, représentant plus de 80 % du parc nucléaire mondial en exploitation. Dans un REP, l’eau du cœur est maintenue sous une pression énorme (environ 155 atmosphères) pour l’empêcher de bouillir, même si elle atteint environ 320 °C. Cette eau surchauffée circule dans un échangeur de chaleur appelé générateur de vapeur, où elle chauffe un circuit d’eau secondaire à plus basse pression. Cette eau secondaire se vaporise en vapeur qui entraîne la turbine. Les circuits primaire et secondaire ne se mélangent jamais.
Les réacteurs à eau bouillante (REB) adoptent une approche plus directe. L’eau est pompée dans le cœur, chauffée par la fission et se vaporise directement à l’intérieur de la cuve du réacteur. Cette vapeur part directement vers la turbine. Le système est plus simple, mais la vapeur en contact avec la turbine a circulé dans le réacteur, ce qui complique la maintenance.
Dans les deux conceptions, la vapeur entraîne une turbine reliée à un générateur électrique, convertissant l’énergie mécanique en électricité.
Du générateur à votre domicile
Le générateur d’une centrale nucléaire produit généralement de l’électricité à 15 000 à 24 000 volts. C’est bien trop faible pour le transport longue distance. Un transformateur élévateur à la centrale porte la tension à 225 000 à 400 000 volts, ce qui permet à l’électricité de parcourir des centaines de kilomètres sur le réseau avec des pertes d’énergie minimales. Plus près de votre domicile, des transformateurs abaisseurs ramènent la tension à des niveaux utilisables.
Après avoir traversé la turbine, la vapeur usée doit être refroidie pour redevenir de l’eau et pouvoir être réutilisée. C’est le rôle du condenseur, alimenté par une source d’eau de refroidissement distincte : une rivière, l’océan ou de grandes tours de refroidissement qui rejettent la chaleur résiduelle sous forme de vapeur d’eau dans l’atmosphère. Ces panaches caractéristiques qui s’élèvent des tours des centrales nucléaires ne sont pas de la fumée ; c’est de la vapeur.
De quelle quantité d’énergie parle-t-on ?
Les chiffres sont frappants. Un réacteur classique a besoin d’environ 27 tonnes de combustible neuf par an. Une centrale au charbon produisant la même quantité d’électricité brûlerait plus de deux millions et demi de tonnes de charbon.
En 2024, le parc mondial de 440 réacteurs a fonctionné avec un facteur de charge moyen de 83 %, ce qui signifie qu’ils ont produit 83 % de l’électricité maximale théoriquement possible. C’est plus élevé que toute autre grande source d’électricité. Le même rapport indique que l’énergie nucléaire a permis d’éviter 2,1 milliards de tonnes d’émissions de CO2 par rapport à une production équivalente au charbon.
La contrepartie ? Seulement environ un tiers de la chaleur générée par la fission se transforme réellement en électricité. Le reste est de la chaleur résiduelle emportée par le système de refroidissement. Ce n’est pas une particularité du nucléaire : c’est une limite fondamentale de tous les moteurs thermiques, régie par les lois de la thermodynamique.
Une seule pastille de combustible en dioxyde d’uranium, d’environ 8 mm de diamètre et 10 mm de long, contient autant d’énergie qu’une tonne de charbon. La densité énergétique de l’uranium-235 fissile est d’environ 82 TJ/kg, soit environ 3,4 millions de fois celle du charbon. En 2024, le parc nucléaire mondial a établi un record de production : 2 667 TWh provenant de 440 réacteurs en exploitation. Cet article retrace la chaîne complète de conversion énergétique par laquelle les réacteurs nucléaires produisent de l’électricité, étape thermodynamique et électrique après étape.
Fabrication du combustible : de l’UF6 aux pastilles céramiques
Le cycle du combustible commence avec l’hexafluorure d’uranium (UF6), la forme chimique utilisée pour l’enrichissement. Dans une installation de fabrication, l’UF6 est chauffé sous forme gazeuse, puis transformé chimiquement en poudre de dioxyde d’uranium (UO2). La conversion peut suivre une voie sèche (UF6 réagi avec de la vapeur et de l’hydrogène dans un four rotatif) ou une voie humide (UF6 dissous dans l’eau, précipité sous forme de diuranate d’ammonium ou de carbonate d’uranyle ammonium, puis réduit en UO2).
La poudre d’UO2 est pressée à plusieurs centaines de MPa en pastilles cylindriques et frittée à environ 1 750 °C sous atmosphère réductrice argon-hydrogène. Le résultat est une céramique dense aux dimensions et à la microstructure précisément contrôlées. Pour les réacteurs à eau légère, l’uranium est enrichi jusqu’à environ 4,8 % d’U-235.
Les pastilles sont chargées dans des tubes en alliage de zirconium (zircaloy), choisi pour sa faible section efficace d’absorption neutronique et sa haute résistance à la corrosion. Chaque tube est rincé à l’hélium, pressurisé à plusieurs MPa et scellé par soudure de précision. Un espace de détente au-dessus de la pile de pastilles compense la dilatation thermique et l’accumulation de gaz de fission.
Ces barres de combustible scellées sont assemblées en structures réticulaires rigides. Un cœur de REP de 1 100 MWe contient généralement 193 assemblages combustibles, comprenant plus de 50 000 barres de combustible et environ 18 millions de pastilles. Un assemblage REP standard utilise un réseau de barres 17×17, mesure 4 à 5 mètres de hauteur, pèse environ une demi-tonne et comprend des positions libres pour l’insertion des barres de contrôle et l’instrumentation.
La fission nucléaireDivision d'un noyau atomique lourd en deux noyaux plus petits, libérant de l'énergie et des neutrons supplémentaires. Processus de base des réacteurs nucléaires. : la source d’énergie
Lorsqu’un neutron thermique (énergie cinétiqueL'énergie qu'un objet possède en raison de son mouvement. Une masse se déplaçant à grande vitesse porte une énergie cinétique proportionnelle à sa masse et au carré de sa vitesse, déterminant sa capacité de destruction lors de l'impact. ~0,025 eV, vitesse ~2 km/s) est capturé par un noyau d’U-235, le noyau composé U-236 résultant est très instable. Il se divise en deux fragments de fission (généralement avec des nombres de masse distribués autour de 95 et 135) et libère 2 à 3 neutrons, avec une moyenne de 2,45 neutrons par événement de fission.
La libération d’énergie totale est en moyenne de 200 MeV (3,2 x 10-11 J) par fission. Le bilan énergétique se décompose ainsi :
- ~85 % sous forme d’énergie cinétique des fragments de fission (convertie en chaleur dans un rayon de quelques micromètres du site de fission)
- ~2,5 % sous forme d’énergie cinétique des neutrons prompts
- ~2,5 % sous forme de rayonnement gamma prompt
- ~10 % sous forme d’énergie retardée provenant de la désintégration bêta des produits de fission et de l’émission gamma subséquente
Les produits de fission (isotopes du baryum, du krypton, du strontium, du césium, de l’iode, du xénon et autres) sont hautement radioactifs et continuent de produire de la chaleur de décroissance même après l’arrêt de la réaction en chaîne. C’est pourquoi le refroidissement du réacteur doit se poursuivre après le scram : immédiatement après l’arrêt d’urgence, le combustible génère encore environ 6 % de la chaleur nominale, et même après un an, le combustible usé typique produit environ 10 kW de chaleur de décroissance par tonne.
Comment les réacteurs nucléaires produisent de l’électricité : neutronique et contrôle du réacteur
Maintenir une réaction en chaîne contrôlée nécessite de maintenir la criticitéÉtat d'un réacteur nucléaire dans lequel chaque fission produit exactement un neutron déclenchant une autre fission, maintenant une réaction en chaîne stable. : l’état où exactement un neutron de chaque fission déclenche une autre fission. Les mécanismes clés :
La modération. Les neutrons rapides issus de la fission (~2 MeV, ~20 000 km/s) ont une très faible section efficace de fission pour l’U-235. Ils doivent être ralentis aux énergies thermiques (~0,025 eV) où la section efficace de fission devient très grande. Dans les réacteurs à eau légère, l’eau ordinaire sert de modérateur, ralentissant les neutrons par des collisions élastiques avec les noyaux d’hydrogène.
Les barres de contrôle. Des barres en matériaux absorbant les neutrons peuvent être insérées dans le cœur pour réduire le taux de réaction ou retirées pour l’augmenter. Les REP utilisent généralement des alliages argent-indium-cadmium (80 % Ag, 15 % In, 5 % Cd), tandis que les REB utilisent du carbure de bore (B4C). La composition de l’alliage exploite différentes énergies de résonance d’absorption neutronique pour une capture à large spectre.
Les neutrons retardés. Environ 0,66 % des neutrons issus de la fission de l’U-235 sont retardés, émis des secondes à des minutes après la fission par désintégration bêta de certains produits de fission. Le groupe de neutrons retardés à la demi-vie la plus longue a une demi-vie d’environ 56 secondes. Cette faible fraction est ce qui rend les réacteurs contrôlables à l’échelle humaine. Sans neutrons retardés, la période du réacteur (le temps nécessaire pour que la puissance varie d’un facteur e) serait de l’ordre de la fraction de milliseconde, rendant le contrôle mécanique impossible.
Les absorbants combustibles. Un combustible frais à fort enrichissement produirait une réactivité initiale excessive. De l’oxyde de gadolinium ou du diborure de zirconium est incorporé dans certaines pastilles de combustible pour absorber les neutrons en début de vie du combustible. Au fur et à mesure que ces absorbants sont consommés par capture neutronique, ils libèrent progressivement de la réactivité pour compenser l’appauvrissement du combustible, permettant des cycles d’exploitation plus longs entre les rechargements.
Conversion thermodynamique : le cycle Rankine
La chaleur de la fission entraîne un cycle à vapeur de Rankine, le même principe thermodynamique que dans les centrales à charbon et à gaz. La différence essentielle réside dans la source de chaleur.
Les réacteurs à eau pressurisée fonctionnent avec un système à deux circuits. Le fluide caloporteur primaire (eau à ~15,5 MPa, ~155 atmosphères) circule dans le cœur et se chauffe à environ 320 °C sans bouillir. Il transfère cette chaleur via des générateurs de vapeur à tubes en U vers un circuit secondaire où l’eau à plus basse pression se vaporise pour produire de la vapeur à environ 6 MPa et 275 °C. Cette vapeur presque saturée (titre x ≈ 0,995) entre dans l’étage haute pression de la turbine.
Après l’étage haute pression, la vapeur traverse des séparateurs-réchauffeurs d’humidité pour éliminer les gouttelettes d’eau et élever sa température avant d’entrer dans les étages basse pression. Sans réchauffage, une vapeur de mauvaise qualité éroderait les aubes de la turbine. La vapeur en sortie de turbine entre dans le condenseur à environ 0,008 MPa (bien en dessous de la pression atmosphérique), partiellement condensée avec un titre voisin de 90 %.
Les réacteurs à eau bouillante simplifient le système en produisant de la vapeur directement à l’intérieur de la cuve du réacteur. La pression de fonctionnement est plus faible (~7 MPa contre ~15,5 MPa pour les REP), et la vapeur va directement à la turbine. Cela élimine le générateur de vapeur, mais la partie turbine doit être conçue pour traiter une vapeur légèrement radioactive (principalement due à l’activation du N-16 dans l’eau).
L’efficacité maximale théorique (Carnot) pour un REP typique, avec un réservoir chaud à ~549 K et un réservoir froid à ~315 K, est d’environ 42,6 %. Les irréversibilités réelles (frottements, pertes thermiques, détente non idéale) réduisent l’efficacité thermique réelle à environ 33 %. Cela signifie qu’un réacteur de 3 000 MWth produit environ 1 000 MWe de puissance électrique. Les deux tiers restants de l’énergie thermique sont rejetés sous forme de chaleur résiduelle via le condenseur et le système de refroidissement.
Conversion électrique et intégration au réseau
L’arbre de la turbine entraîne un alternateur synchrone, produisant généralement du courant alternatif triphasé à la fréquence du réseau (50 Hz ou 60 Hz selon la région). La tension de sortie du générateur est typiquement de 15 à 24 kV.
Un transformateur élévateur de groupe porte immédiatement cette tension à 225 000 à 400 000 volts pour le transport à haute tension. La physique est simple : une tension plus élevée signifie un courant plus faible à puissance égale, et les pertes par résistance dans les lignes de transport sont proportionnelles au carré du courant (P = I2R). Le transport longue distance à haute tension est indispensable pour acheminer l’électricité de manière économique vers les centres de consommation.
Les centrales nucléaires fonctionnent généralement en production de base. Leur facteur de charge moyen mondial de 83 % en 2024 est le plus élevé de toutes les grandes sources d’électricité, ce qui reflète à la fois la physique (un cœur de réacteur dispose de combustible pour 12 à 18 mois entre deux rechargements) et l’économique (coût d’investissement élevé, faible coût du combustible, favorisant un fonctionnement continu).
La chaleur résiduelle et le bonus plutonium
Les deux tiers de l’énergie thermique rejetés sous forme de chaleur résiduelle ne sont pas un défaut de conception : c’est une conséquence du deuxième principe de la thermodynamique. Le plafond d’efficacité est fixé par la différence de température entre la vapeur et le condenseur. Les centrales nucléaires fonctionnent à des températures de vapeur inférieures à celles des centrales modernes au charbon ou à gaz (qui peuvent atteindre 600 °C et plus), ce qui limite leur efficacité de Carnot. Les conceptions de réacteurs à eau supercritique, encore en développement, visent à dépasser 22,1 MPa de pression de fonctionnement et pourraient atteindre des rendements thermiques de 45 %.
Par ailleurs, le réacteur accomplit un tour de passe-passe supplémentaire. La capture neutronique par l’U-238 produit du plutonium-239, lui-même fissile. Sur un cycle de combustible typique de trois ans, le Pu-239 contribue à environ un tiers de la production d’énergie totale. Le réacteur crée et brûle ainsi un second combustible pendant son fonctionnement.
En 2024, l’ensemble de cette chaîne de conversion a contribué à éviter 2,1 milliards de tonnes d’émissions de CO2 par rapport à une production équivalente au charbon. La physique n’a pas changé depuis que le premier réacteur a atteint la criticité en 1942. Ce qui a changé, c’est l’échelle, la précision et la reconnaissance croissante que la fission atomique reste l’une des sources d’énergie les plus concentrées dont dispose la civilisation.
