Fonctionnement d’une centrale nucléaire

Le cœur du réacteur se trouve dans la partie nucléaire, dans une cuve de pression possédant une paroi épaisse en acier. Il se compose d'assemblages combustibles de plusieurs mètres de long, eux-mêmes composés de faisceaux de crayons combustibles fins. Ces derniers renferment le combustible nucléaire sous la forme de petites pastilles d’uranium. Le processus de fission nucléaire, qui produit de la chaleur, se déroule à l’intérieur des crayons combustibles fermés hermétiquement.

Les centrales nucléaires suisses sont équipées de réacteurs à eau légère. Dans ces réacteurs, l’eau a deux fonctions: d’une part, elle sert d’agent de refroidissement et achemine l’énergie du réacteur vers les turbines à vapeur. D’autre part, elle freine les neutrons libérés lors de la fission nucléaire (constituants du noyau atomique de charge électrique neutre) et joue le rôle de modérateur. Les neutrons peuvent déclencher de nouvelles fissions nucléaires (réaction en chaîne) uniquement s’ils sont freinés. S’il n’y a pas d’eau dans le réacteur à eau légère, les neutrons ne sont plus freinés et la réaction en chaîne s’arrête. Il existe deux versions de réacteurs à eau légère: les réacteurs à eau sous pression et les réacteurs à eau bouillante. Ces deux versions sont présentes en Suisse.

Fonctionnement d’un réacteur à eau sous pression
Dans les réacteurs à eau sous pression (Beznau 1, Beznau 2 et Gösgen), l’eau est chauffée sous haute pression, mais pas jusqu’à entrer en ébullition. L’eau chauffée est acheminée vers des générateurs de vapeur situés à l’extérieur du réacteur, où elle transmet sa chaleur à un autre circuit d’eau. Dans le deuxième circuit, l’eau chauffe et se transforme en vapeur. Cette vapeur actionne les turbines de la partie conventionnelle de la centrale nucléaire.

Fonctionnement d’un réacteur à eau bouillante
Dans les réacteurs à eau bouillante tels que celui de Leibstadt, la vapeur est produite dans la cuve de pression du réacteur et est acheminée directement vers les turbines. Contrairement à ce qui se produit dans les réacteurs à eau sous pression, la vapeur qui parvient aux turbines contient des traces de substances radioactives à courte durée de vie.

Production d’électricité dans la partie conventionnelle
Les turbines à vapeur et les alternateurs se trouvent dans la salle des machines de la partie conventionnelle. La vapeur chaude provenant du réacteur entraîne les turbines, lesquelles, à leur tour, entraînent l’alternateur qui transforme cette énergie cinétique en électricité.

Refroidissement de la turbine à vapeur
Pour que les turbines à vapeur puissent convertir la chaleur de la vapeur acheminée en un mouvement mécanique, les différences de température et de pression en amont et en aval de la turbine doivent être aussi élevées que possible. Une fois qu’elle a traversé la turbine, la vapeur est refroidie en passant dans un autre circuit d’eau, jusqu’à ce qu’elle se condense en eau liquide. Une pompe ramène cette eau du condenseur au générateur de vapeur (dans un réacteur à eau sous pression) ou à la cuve de pression (dans un réacteur à eau bouillante), où elle est à nouveau chauffée et acheminée jusqu’aux turbines sous forme de vapeur.

Refroidissement direct par l’eau du fleuve
Dans les centrales nucléaires de Beznau 1 et Beznau 2, l’eau nécessaire au refroidissement de la vapeur à la sortie des turbines est prélevée dans l’Aar. Elle sera rejetée dans la rivière à une température légèrement plus élevée. Des valeurs limites contraignantes protègent l’Aar d’un échauffement excessif. Ce circuit d’eau est totalement séparé du réacteur et ne contient aucune substance radioactive.

Refroidissement dans une tour de refroidissement
Dans les centrales nucléaires de Gösgen et de Leibstadt, le condenseur est refroidi par de l’eau qui fait l’aller - retour entre la centrale et la tour de refroidissement. L’eau chauffée dans la centrale ruisselle dans la tour de refroidissement. Les gouttelettes d’eau qui retombent dissipent la chaleur dans le courant d’air de la tour de refroidissement (effet de cheminée). Une petite partie de l’eau s’évapore: c’est le panache de vapeur que l’on voit sortir de la tour. Ce nuage se compose exclusivement de gouttelettes d’eau et est totalement inoffensif pour l’environnement. La part d’eau qui s’est évaporée est remplacée par l’eau des cours d’eau. Ce circuit d’eau aussi est totalement séparé du réacteur et ne il contient aucune substance radioactive.

Chaleur à distance
Le rendement des centrales nucléaires peut être amélioré en utilisant systématiquement la chaleur résiduelle. Ainsi, la centrale nucléaire de Beznau approvisionne en chaleur pauvre en CO₂ plus de 2000 bâtiments de type industriel, artisanal, commercial, bâtiments publics et ménages privés via le réseau de chaleur à distance Refuna. La centrale nucléaire de Gösgen fournit aussi de la chaleur de process à deux usines de papier. Les 20’000 tonnes de fioul ainsi économisées chaque année permettent d’éviter le rejet dans l’atmosphère de 60’000 tonnes de CO₂.