Introduction à l'énergie nucléaire de l'énergie de fission

Les centrales nucléaires contiennent des réacteurs qui créent une fission de réaction en chaîne contrôlée, un processus qui divise continuellement les noyaux des atomes d'uranium. Ce processus produit beaucoup d'énergie, de rayonnement et de chaleur très élevée.

Les centrales nucléaires exploitent l'énergie libérée par la fission et l'utilisent pour alimenter les générateurs d'électricité. Bien que l'énergie nucléaire ne contribue qu'environ 20% de l'électricité produite aux États-Unis, la capacité nucléaire de la nation est la plus élevée de tous les autres pays - 101 gigawatts en 2010.

Composantes communes de l'énergie nucléaire

Les réacteurs nucléaires ont en commun ces composants:

Carburant - L'uranium, minerai de métaux lourds radioactif, est le combustible le plus courant des réacteurs nucléaires . Après le processus d'enrichissement, l'uranium devient un combustible très concentré.

Un réacteur nucléaire commercial nécessite des milliers de livres de combustible enrichi en uranium pour fonctionner. Les centrales nucléaires civiles des États-Unis achètent annuellement environ 50 millions de livres d'uranium (équivalent U3O8), dont la majorité provient de l'étranger.

L'uranium est extrait dans des endroits du monde entier, principalement au Kazakhstan, au Canada, en Australie et en Afrique. Les États-Unis figurent parmi les 10 premiers producteurs d'uranium.

Barres de contrôle - Fabriquées à partir d'un matériau neutrophage tel que le cadmium, l'hafnium ou le bore, des barres de contrôle sont insérées ou retirées du noyau pour contrôler la vitesse de réaction ou l'arrêter si nécessaire.

Modérateur - Matériau dans le cœur du réacteur qui ralentit les neutrons libérés par la fission, provoquant ainsi plus de fission.

Le modérateur est généralement de l'eau ordinaire (légère), mais peut être de l'eau lourde (D20) ou du graphite.

Liquide de refroidissement - Liquide ou gaz qui circule dans le cœur pour en transférer la chaleur. Dans les réacteurs à eau légère, le modérateur de l'eau sert également de réfrigérant primaire.

Confinement - Les réacteurs nucléaires sont encastrés dans des structures en béton fortement renforcées pour empêcher la radioactivité de s'échapper dans l'atmosphère.

Processus de base de l'énergie nucléaire

La physique nucléaire est très technique, mais le processus de base pour produire de l'électricité nucléaire est le suivant:

Le cœur du réacteur produit de la chaleur et de la radioactivité division de l'atome. À l'intérieur du cœur du réacteur se trouve le combustible nucléaire d'uranium. Lorsque les noyaux de l'uranium se séparent, ils libèrent des neutrons. Lorsque les neutrons frappent d'autres atomes d'uranium, ces noyaux se divisent aussi, libérant leurs neutrons pour frapper d'autres atomes, provoquant ainsi plus de fission. Cette division en atomes continue est une réaction en chaîne.

La chaleur des réactions de fission contrôlées est utilisée pour produire de la vapeur d'eau, soit directement dans le réacteur à eau bouillante (BWR), soit indirectement comme dans le réacteur à eau pressurisée (PWR) qui contient un générateur de vapeur.

La vapeur entraîne une turbine qui alimente un générateur.

Le générateur produit de l'électricité distribuée au réseau électrique.

Types de réacteurs nucléaires

À l'échelle mondiale, différents types de réacteurs nucléaires sont utilisés. Cependant, les types les plus courants sont les réacteurs à eau pressurisée (REP) et les réacteurs à eau bouillante (REB), qui sont classés comme réacteurs à eau légère. Aux États-Unis, PWR et BWR sont les deux seuls types de centrales nucléaires commerciales en activité.

• Réacteur à eau bouillante (BWR) - Dans ce type de réacteur, la fission produit de la chaleur qui fait bouillir de l'eau dans le cœur du réacteur. La vapeur de l'eau bouillante alimente une turbine qui entraîne un générateur pour produire de l'électricité. Les réacteurs de l'usine de Fukushima Naiishi, au nord-est du Japon, endommagés lors du tremblement de terre et du tsunami de mars 2011 sont des réacteurs à eau bouillante.
• Réacteur à eau sous pression (REP) - Ce type de réacteur est le plus courant pour produire de l'énergie. Il utilise l'eau comme agent de refroidissement et modérateur, un agent qui aide à contrôler la vitesse de fission. Dans le circuit de refroidissement primaire fermé, l'eau, chauffée par l'énergie thermique provenant de la fission lors du passage à travers le cœur, est maintenue sous haute pression et par conséquent elle ne bout pas. La vapeur est produite dans une boucle de liquide de refroidissement secondaire et est utilisée pour alimenter une turbine qui entraîne un générateur électrique.
• Réacteurs modérés CANDU et à eau lourde - Ces modèles utilisent de l'eau lourde comme modérateur. L'eau lourde - avec le deutérium remplaçant les deux atomes d'hydrogène - en tant que modérateur ralentit les neutrons dans le processus de fission et permet l'utilisation d'uranium naturel, plutôt que de l'uranium enrichi comme combustible.
• Réacteur modulaire à lit de boulets - Réacteur à haute température utilisant du liquide de refroidissement à l'hélium et du carburant enfermé dans des sphères de graphite et de carbure de silicium pour assurer le confinement des produits de fission et la résistance à la fusion.