Les centrales nucléaires exploitent l'énergie libérée par la fission et l'utilisent pour entraîner des générateurs produisant de l'électricité. Bien que l'énergie nucléaire ne contribue qu'à 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 ces composants en commun:
Carburant - L'uranium, minerai de métaux lourds radioactif, est le combustible le plus courant pour les 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 d'uranium enrichi pour fonctionner. Aux États-Unis, les centrales nucléaires civiles 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 absorbant les neutrons 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 pour 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 enfermés 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 avec l'énergie nucléaire est le suivant:
Le cœur du réacteur produit de la chaleur et de la radioactivité dans un processus appelé fission, communément appelé division atomique. 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 (REB), soit indirectement comme dans le réacteur à eau pressurisée (REP), qui contient un générateur de vapeur.
La vapeur entraîne une turbine qui alimente un générateur.
Le générateur produit de l'électricité qui est distribuée au réseau électrique.
Types de réacteurs nucléaires
Dans le monde, divers 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, dans le 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 pressurisée (REP) - Ce type de réacteur est le plus commun 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 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 galets - Réacteur à haute température qui utilise 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 du produit de fission et la résistance à la fusion.