Une centrale nucléaire transforme la chaleur de l’atome en électricité. Le principe : casser des noyaux d’uranium pour chauffer de l’eau, créer de la vapeur, faire tourner une turbine. Simple dans le concept, sophistiqué dans l’exécution. Voici comment ça marche vraiment.
Le principe de base : transformer la chaleur en électricité
Une centrale nucléaire est une centrale thermique. Elle produit de l’électricité comme une centrale à charbon ou à gaz, mais sans combustion. La différence se situe dans la source de chaleur : la fission nucléaire remplace le feu.
Le fonctionnement repose sur un principe mécanique universel. Chauffer de l’eau pour créer de la vapeur sous pression. Cette vapeur fait tourner une turbine reliée à un alternateur. L’alternateur convertit l’énergie mécanique en courant électrique. C’est le même principe qu’une dynamo de vélo, à échelle industrielle.
La fission nucléaire : la source de chaleur
Comment ça fonctionne dans le réacteur
Au cœur du réacteur se trouve le combustible : des pastilles d’uranium enrichi (environ 4% d’uranium 235). Ces pastilles sont empilées dans des tubes métalliques appelés crayons, eux-mêmes regroupés en assemblages.
Lorsqu’un neutron percute un noyau d’uranium 235, celui-ci se casse. Cette fission libère une énorme quantité de chaleur et d’autres neutrons. Ces neutrons vont à leur tour percuter d’autres noyaux. La réaction s’auto-entretient : c’est la réaction en chaîne.
Pour contrôler cette réaction, des barres de contrôle absorbent les neutrons excédentaires. En les descendant dans le cœur du réacteur, on ralentit la réaction. En les remontant, on l’accélère. Un réacteur peut s’arrêter complètement en 1,3 seconde si toutes les barres tombent simultanément.
L’eau sous pression : 320°C sans bouillir
L’eau circule autour du combustible pour extraire la chaleur produite. Elle monte jusqu’à 320°C, mais ne bout pas. La raison : elle est maintenue sous haute pression (environ 155 bars), ce qui élève son point d’ébullition.
Cette eau chaude circule dans un circuit fermé et étanche : le circuit primaire. Elle transporte la chaleur sans jamais quitter ce circuit. C’est la seule eau en contact avec le combustible nucléaire, donc la seule à être radioactive.
Les trois circuits : un système d’échanges thermiques
Le circuit primaire : extraire la chaleur du réacteur
L’eau chauffée à 320°C dans le cœur du réacteur circule vers les générateurs de vapeur. Ces échangeurs thermiques transfèrent la chaleur vers un second circuit, sans mélanger les deux eaux. Le circuit primaire reste fermé et retourne vers le réacteur pour un nouveau cycle.
Le circuit secondaire : créer la vapeur qui produit l’électricité
Dans le générateur de vapeur, l’eau chaude du circuit primaire chauffe l’eau du circuit secondaire. Cette eau se transforme en vapeur à haute pression. C’est cette vapeur qui va produire l’électricité.
La vapeur file vers la turbine à plusieurs centaines de kilomètres par heure. La pression fait tourner les pales de la turbine, qui entraîne l’alternateur. L’alternateur produit un courant alternatif, transformé par un transformateur pour être transporté sur le réseau haute tension.
Après la turbine, la vapeur est refroidie dans un condenseur pour redevenir liquide. Elle peut alors être pompée et renvoyée vers le générateur de vapeur. Le circuit secondaire est lui aussi fermé : l’eau tourne en boucle.
Le circuit de refroidissement : évacuer la chaleur résiduelle
Le condenseur a besoin d’eau froide pour refroidir la vapeur. C’est le rôle du circuit de refroidissement, alimenté par un fleuve, une rivière ou la mer. Cette eau froide absorbe la chaleur de la vapeur du circuit secondaire.
L’eau réchauffée peut être rejetée directement dans la source (centrales en bord de mer), ou refroidie dans les aéroréfrigérants. Ces grandes tours qu’on voit de loin créent un courant d’air naturel qui refroidit l’eau par évaporation. Le nuage blanc qui s’échappe est de la vapeur d’eau, pas de la fumée.
Trois circuits étanches : pourquoi cette séparation ?
Les trois circuits ne se mélangent jamais. Objectif : éviter toute contamination radioactive. Seul le circuit primaire est en contact avec le combustible. Les circuits secondaire et tertiaire restent non radioactifs. Cette étanchéité est un principe fondamental de sûreté.
Les chiffres du nucléaire français
La France compte 57 réacteurs à eau pressurisée répartis sur 18 sites. Leur puissance varie entre 900 MW et 1 650 MW. Ensemble, ils produisent environ 65% de l’électricité française.
Un réacteur de 1 300 MW alimente l’équivalent d’un million de foyers. Avec 3 à 4 pastilles d’uranium, on couvre la consommation électrique annuelle d’une famille de quatre personnes.
Le rendement d’une centrale nucléaire actuelle atteint environ 33%. Autrement dit, un tiers de la chaleur produite est converti en électricité. Les deux tiers restants sont dissipés via le système de refroidissement. Ce rendement est limité par des lois physiques (facteur de Carnot) liées à la température de fonctionnement.
Les trois fonctions de sûreté d’un réacteur
Contrôler la réaction en chaîne. Les barres de contrôle et l’acide borique dans l’eau permettent d’ajuster ou d’arrêter la réaction nucléaire à tout moment.
Refroidir le combustible en permanence. Même à l’arrêt, le combustible continue de dégager de la chaleur résiduelle. Le système de refroidissement doit fonctionner en continu, même lors d’un arrêt du réacteur.
Confiner la radioactivité. Plusieurs barrières physiques (gaine des crayons, cuve du réacteur, enceinte de confinement en béton) empêchent toute dispersion de substances radioactives dans l’environnement.
Un système éprouvé pour la production électrique
Le fonctionnement d’une centrale nucléaire repose sur une chaîne d’échanges thermiques parfaitement maîtrisée. De la fission de l’uranium à la production d’électricité, chaque étape répond à des exigences techniques strictes. Ce système, rodé depuis plus de 40 ans en France, continue d’assurer la production d’une électricité bas-carbone à grande échelle.
