Les centrales nucléaires, au fioul, au charbon ou au gaz ont un point commun : ce sont des centrales thermiques. La chaleur sert à transformer de l’eau en vapeur et cette vapeur est transformée en énergie électrique. Pour cela, la vapeur doit tout d’abord être produite dans de grands réservoirs sous pression, assimilables à un énorme autocuiseur, ou dans des générateurs de vapeur avant d’être dirigée vers des turbines. Dans les centrales nucléaires, cette eau assure même plusieurs fonctions à la fois.
La Suisse exploite cinq réacteurs nucléaires du type à eau ordinaire. Ce type de réacteur connait encore deux variantes, les réacteurs à eau sous pression (Beznau réacteur 1 et 2, et Gösgen) et les réacteurs à eau bouillante (Mühleberg et Leibstadt). Ils sont refroidis à l’eau ordinaire (H2O) qui sert également à la production de vapeur.
La cuve de pression du réacteur, un réservoir en acier étanche aux parois épaisses, renferme les crayons de combustible qui contiennent le combustible nucléaire sous forme de tablettes ou de granulés. Un nombre important de ces crayons est rassemblé dans une structure métallique rigide, l’assemblage combustible. Le combustible contient environ 4 à 5 % d’uranium 235 fissile. Des neutrons libres assurent la fission des noyaux atomiques du combustible.
De l’eau comme modérateur
Le processus de fission nucléaire dégage de la chaleur et produit de nouveaux neutrons. Ceux-ci sont éjectés du noyau atomique désintégré. Mais ces neutrons sont encore trop rapides pour provoquer la désintégration d’autres noyaux d’uranium. Il est donc nécessaire de les ralentir à une vitesse appropriée pour qu’ils puissent assurer la désintégration d’autres noyaux d’uranium. Ce ralentissement des neutrons est assuré par l’eau présente dans le réacteur, ce que le jargon spécialisé désigne sous le terme de modération.
Pour limiter le nombre de neutrons présents dans le réacteur et pour pouvoir réguler la fission nucléaire, il est fait appel à des barres de commande qui absorbent les neutrons. La puissance du réacteur se règle donc avec ces barres qui en permettent donc le pilotage. La fission nucléaire dans le réacteur est donc une réaction en chaîne contrôlée.
De l’énergie thermique à l’énergie électrique
Dans les réacteurs à eau ordinaire, l’eau assure une autre fonction en dehors de la modération : elle sert de fluide caloporteur et transporte l’énergie sous forme de chaleur de la cuve de pression du réacteur aux turbines. La cuve de réacteur, comme un autocuiseur à la cuisine, produit de l’eau chaude ou de la vapeur sous une pression élevée. La vapeur ainsi produite entraîne des turbines. Ces turbines mises en rotation par le flux de vapeur entraînent le générateur qui produit de l’électricité comme une dynamo.
Dans un réacteur à eau bouillante, comme à Mühleberg et à Leibstadt, la vapeur est directement produite dans la cuve de pression du réacteur. Elle est ensuite transmise aux turbines de la halle des machines par des conduites de force à paroi épaisse. Cette vapeur présente quelques traces de substances radioactives. Mais celles-ci sont de courte durée de vie. Dans la halle des machines de réacteurs à eau bouillante, le faible rayonnement radioactif émis est retenu par des murs en béton et des écrans de plomb. Lorsque le réacteur est mis à l’arrêt, la radioactivité présente dans le circuit primaire disparaît en quelques minutes.
Sur les réacteurs à eau sous pression, comme à Beznau et à Gösgen, l’eau surchauffée, maintenue sous pression élevée dans la cuve de pression du réacteur, circule vers un générateur de vapeur dans un premier circuit fermé (circuit primaire). C’est ici que la chaleur du circuit primaire est cédée au circuit secondaire. L’eau du circuit secondaire est transformée en vapeur dans le générateur de vapeur. La vapeur ainsi produite est envoyée vers les turbines par le second circuit fermé (circuit secondaire). De la même manière, les turbines entraînent des générateurs.
Rivière ou tour de refroidissement
Pour que les turbines à vapeur puissent transformer de manière optimale l’énergie thermique en énergie mécanique, il est nécessaire que les différences de pression et de température régnant en amont et en aval des turbines soient aussi élevées que possible. Pour ce faire, la vapeur doit être refroidie lorsqu’elle a franchi les turbines en la retransformant en eau par condensation. Cette opération est réalisée par un condenseur qui assure ainsi une fonction d’échangeur thermique. Sur le réacteur à eau bouillante, l’eau de condensation refroidie récupérée en sortie de condenseur revient à la cuve de pression du réacteur par le circuit primaire fermé. Sur le réacteur à eau sous pression, ce retour est assuré par le circuit secondaire vers le générateur de vapeur.
Le condenseur cède la chaleur ainsi récupérée à un circuit de refroidissement externe. C’est là que l’énergie thermique excédentaire est évacuée. Ce refroidissement peut être assuré par circulation directe d’eau de la rivière (comme à Mühleberg et à Beznau) ou par l’intermédiaire d’une tour de refroidissement (comme à Gösgen et à Leibstadt). L’eau du circuit de refroidissement retourne ainsi, propre et exempte de radioactivité, à son environnement naturel sous forme liquide ou gazeuse.
