La centrale nucléaire de Gravelines : comment ça marche ?

Publié par Pascale Bauge, le 25 octobre 2018   97

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Dans le contexte actuel de changement climatique, réfléchir sur la pertinence de la production électro-nucléaire prend tout son sens car produire de l’électricité décarbonée* peut véritablement faire toute la différence. La France, de ce point de vue, est déjà bien équipée avec ses 58 réacteurs répartis sur 19 sites. 
La centrale nucléaire de Gravelines est située en Hauts-de-France près de Dunkerque et c'est la plus grande centrale en France en terme de puissance installée avec 6 unités de 900 MW : elle représente donc à elle seule une puissance installée de 5.400 MW. C’est la 2e centrale la plus puissance en Europe ! Alors si on y regardait d'un peu plus près pour comprendre comment elle fonctionne ?

Vue d'ensemble des 6 réacteurs de la centrale de Gravelines
Vue d'ensemble des 6 réacteurs de la centrale de Gravelines (Crédit Photo Laurent Mayeux)

* l’électricité d’origine nucléaire est bien considérée comme décarbonée par les experts (notamment le GIEC), les émissions de CO2 sont de l’ordre de  15 g /kWh en incluant tout le cycle de vie de la centrale nucléaire, contre 1000 g/kWh pour une centrale thermique au charbon et 45 g/kWh pour le photovoltaïque, en considérant aussi l’ensemble du cycle de vie.

Mais commençons par le tout début.

Comment produire de l'électricité ?

Pour produire de l'électricité, le principe n'est pas bien difficile :  il faut un champ magnétique variable à proximité de bobines de fil électrique.  C'est exactement ce qui se passe quand on pédale sur un vélo : au sein de la dynamo, la rotation d'un aimant à l'intérieur d'une bobine, fait apparaître une circulation d'électrons dans le circuit de la bobine et la l'ampoule s'allume ! 
A plus grande échelle, on a besoin d'un alternateur.

Un alternateur est un appareil où un aimant -ou électroaimant- tourne (rotor) à l'intérieur d'un stator : une pièce fixe où se situent des bobines. C’est grâce à une turbine, reliée à l’alternateur par son axe de rotation que s’effectue la mise en mouvement de l’aimant. Cet axe commun est l’arbre ; on dit que la turbine et l’aimant sont « couplés », et on parle de groupe turbo-alternateur (GTA). 

Alternateur et turbine (Dessins par Valentin Baugé et Alien par Stéphanie Dubut)

Dans le cas d’une centrale nucléaire, une vapeur haute pression, haute température entraîne une turbine à vapeur. L’énergie présente dans la vapeur au départ est transformée en énergie mécanique. C’est la détente de la vapeur qui entraîne la rotation de la turbine. Il faut donc produire une vapeur à haut contenu en énergie : ce sont des réactions nucléaires qui vont apporter cette énergie.

Exemple de turbine à vapeur (Crédit GE Eric Lamperti)

Les réactions nucléaires

Les réactions nucléaires sont des réactions qui se produisent au sein du noyau (constitué par les nucléons) de certains atomes et qui dégagent énormément de chaleur : cette « source chaude » est mise à profit afin d’obtenir, grâce à un circuit d’eau secondaire indépendant, une vapeur à haute pression et haute température.

Les atomes qui sont le siège de réactions nucléaires ont des noyaux instables contenant un grand nombre de protons et de neutrons, qui sont peu liés. Ils se réorganisent donc pour se stabiliser, en émettant des rayonnements et/ou des particules : on dit qu’ils sont radioactifs.

Tant que ces atomes ne sont pas stabilisés, ils restent radioactifs et cela peut prendre de nombreuses années. Parmi les atomes instables, il y a l’uranium, qui possède plusieurs isotopes (U235 ou U238 sont les principaux isotopes qui se trouvent dans la nature).
L’atome d’uranium 238 (92 protons, 143 neutrons) est celui qu’on trouve le plus abondamment dans la nature (99,27% de l’uranium naturel) mais il n’est pas intéressant dans le cadre des réactions nucléaires au sein de la filière des réacteurs français, bien qu’il joue un rôle dans le réacteur notamment dans la sûreté et le vieillissement du combustible.

L’atome d’uranium 235 (présent à la hauteur de 0,7% dans l’uranium naturel) possède la propriété particulière suivante : lorsqu’il est percuté par un neutron, son noyau l’absorbe et se brise en deux noyaux plus petits ; c’est la fission et elle s’accompagne de la libération d’une grande quantité de chaleur.
En se brisant, l’atome libère des neutrons (dit prompt) qui iront à leur tour briser d’autres noyaux, il s’agit donc d’une réaction en chaîne.
Connaître le nombre de neutrons à chaque génération (sachant que certains sont émis avec un certain retard lorsqu’ils sont issus des produits de fission) est important pour que le réacteur apporte la puissance nécessaire mais aussi pour éviter l’emballement.

Les 6 unités de Gravelines fonctionnent toutes selon la technique du Réacteur à Eau sous Pression (REP). Cette filière REP concerne tous les réacteurs français actuellement en exploitation.
Le cœur du réacteur contient le combustible uranium sous forme d’oxyde (UO2). Celui-ci est conditionné en petites pastilles enfermées dans des gaines métalliques étanches faites d’une alliage de zirconium** et d’autres éléments. L’ensemble forme les crayons de combustible et sont assemblés selon une géométrie bien précise.

** Le zirconium a été choisi pour sa faculté à laisser passer les neutrons issus de la fission.

Alors comment ça marche un REP dans les grandes lignes ?

Organisation générale des unités REP

Trois circuits indépendants et fermés assurent le bon fonctionnement d’une centrale nucléaire REP :

  • le circuit primaire, où de l’eau circule en circuit fermé autour du combustible de façon à extraire l’énergie produite par les réactions nucléaires,
  • le circuit secondaire, indépendant du premier (là où se forme la vapeur véhiculée jusqu’à la turbine) : ainsi la vapeur formée n’est pas en contact avec le cœur et ne contient donc aucune radioactivité.
  • le circuit de refroidissement (permettant la condensation de la vapeur, à une température la plus basse possible, pour une question de rendement).

Le circuit primaire, autour du réacteur

Le circuit primaire contient :

  • le combustible dans le réacteur et la cuve
  • l’eau, fluide caloporteur et modérateur (par son contenu en bore)
  • les pompes primaires qui mettent l’eau en circulation
  • un pressuriseur qui règle la pression à 155 bar
  • les générateurs de vapeur contenant plus de 3000 tubes en U.

Le combustible est placé dans des grands tubes (les crayons) regroupés en assemblages. La géométrie n’est pas le fruit du hasard car il faut respecter une bonne répartition des crayons afin que la circulation d’eau soit optimisée et récupérer toute la chaleur disponible. Cette répartition est assurée par la présence de tubes-guides et des grilles.

Les assemblages contenant l’uranium sont disposés dans la cuve remplie d’eau additionnée d’acide borique (le bore absorbe les neutrons). 
 Celle-ci maintenue sous une pression de 155 bar s’échauffe à plus de 300°C (tout en restant à l’état liquide*) et circule dans le reste du circuit, grâce à la pompe primaire. Mais l’élévation de température au sein du cœur n’est que de l’ordre de 38°C et ce ΔT est un paramètre bien « pensé » pour éviter des chocs thermiques, préjudiciables pour la cuve et s’assurer de rester suffisamment éloigné de la saturation.

*A 155 bar, la température d’ébullition de l’eau (ou température de saturation) est de 345°C, l’eau du circuit primaire (inférieure à ce seuil) reste donc liquide en tous points du circuit.
La pression de 155 bar est également une valeur bien pensée, un compromis entre une pression suffisamment élevée pour assurer l’état liquide mais pas trop pour limiter les épaisseurs des composants et s’éloigner des conditions critiques (221 bar).

La pression est ajustée à cette valeur grâce au pressuriseur :  une enceinte agissant comme un vase d’expansion, qui contient une certaine quantité d’eau en équilibre avec sa vapeur, à la température de saturation. En jouant sur la température de l’eau (chauffage par des résistances électriques ou grâce une aspersion d’eau froide), la pression qui y est liée, est régulée.

Par l’intermédiaire des générateurs de vapeur, cette eau transmet sa chaleur à un autre circuit fermé indépendant du premier : le circuit secondaire.
Un générateur de vapeur, comme son nom l’indique, est l’échangeur de chaleur permettant de produire la vapeur. L’eau du circuit primaire circule à l’intérieur des tubes en U, et l’eau alimentaire du circuit secondaire circule à l’extérieur dans un espace annulaire entre le faisceau de tubes et la paroi interne du générateur (voir figure).

Alors dans les grandes lignes, tous les REP sont sur ce modèle. Ce qui différencie les différents paliers (niveaux de puissance), c’est  le nombre de générateurs de vapeur (3 ou 4).

Dans la 2e partie, les spécificités de la centrale de Gravelines sont présentées. A retrouver ICI.

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