Comment l'électricité est-elle produite dans une centrale nucléaire ?

Dans une centrale nucléaire, l'électricité n'est pas produite directement par les noyaux atomiques. La fission nucléaire fournit d'abord de la chaleur, comme la combustion d'un combustible dans une centrale thermique. Cette chaleur sert ensuite à produire de la vapeur, dont la force met en mouvement une turbine reliée à un alternateur. L'électricité apparaît donc au terme d'une succession de transformations : énergie nucléaire, énergie thermique, énergie mécanique, puis énergie électrique.

La fission fournit la chaleur

Le processus commence dans le cœur du réacteur, où se trouvent des assemblages de combustible contenant notamment de l'uranium. Des neutrons provoquent la fission de certains noyaux d'uranium, qui se scindent en noyaux plus légers. Cette réaction libère une grande quantité d'énergie sous forme de chaleur et produit de nouveaux neutrons, capables de provoquer à leur tour d'autres fissions. La réaction en chaîne est maintenue et contrôlée afin de régler la puissance du réacteur. La chaleur produite est récupérée par un fluide caloporteur, généralement de l'eau dans les réacteurs les plus courants.

De la chaleur à la vapeur

Dans un réacteur à eau sous pression, l'eau du circuit primaire circule dans le cœur du réacteur et se réchauffe fortement. Elle reste liquide parce qu'elle est maintenue sous une pression élevée. Cette eau chaude passe ensuite dans un générateur de vapeur, qui fonctionne comme un échangeur thermique : elle transmet sa chaleur à l'eau d'un circuit secondaire sans se mélanger avec elle. L'eau du circuit secondaire se transforme alors en vapeur. La disposition exacte peut varier selon le type de réacteur : dans certains modèles, l'eau chauffée dans le réacteur produit directement la vapeur destinée à la turbine. Dans tous les cas, c'est la chaleur issue de la fission qui permet d'obtenir la vapeur nécessaire.

La turbine et l'alternateur produisent l'électricité

La vapeur est dirigée sous pression vers une turbine. En se détendant et en s'écoulant entre ses pales, elle exerce une force qui fait tourner un axe : l'énergie thermique de la vapeur devient ainsi une énergie mécanique de rotation. Cet axe entraîne un alternateur. Dans cette machine, la rotation d'un champ magnétique par rapport à des bobines conductrices provoque, par induction électromagnétique, la production d'un courant électrique alternatif. L'électricité produite est ensuite envoyée vers un transformateur, qui augmente sa tension afin de limiter les pertes lors de son transport sur le réseau électrique.

Le refroidissement ferme le cycle

Après son passage dans la turbine, la vapeur est refroidie dans un condenseur et redevient de l'eau. Elle peut alors être renvoyée vers le circuit où elle sera à nouveau chauffée, ce qui permet de recommencer le cycle. Le condenseur évacue la chaleur restante grâce à un système de refroidissement utilisant, selon la centrale, de l'eau de mer, de rivière ou un dispositif de refroidissement par l'air, notamment avec des tours aéroréfrigérantes. Même lorsque la réaction en chaîne est arrêtée, le combustible continue quelque temps à produire de la chaleur résiduelle ; celle-ci doit être évacuée par des systèmes prévus à cet effet. La production électrique repose donc sur une turbine et un alternateur, tandis que les circuits de refroidissement permettent de maintenir le fonctionnement du cycle et de gérer la chaleur qui n'a pas été convertie en électricité.