Centrale nucléaire
Les centrales nucléaires sont un type de centrales électriques qui utilisent le processus de fission nucléaire pour produire de l'électricité. Pour ce faire, elles utilisent des réacteurs nucléaires en combinaison avec le cycle de Rankine, où la chaleur générée par le réacteur transforme l'eau en vapeur, qui fait tourner une turbine et un générateur. L'énergie nucléaire fournit au monde environ 11 % de son électricité totale, les principaux producteurs étant les États-Unis et la France.[1]
Hormis la source de chaleur, les centrales nucléaires sont très similaires aux centrales à charbon. Toutefois, elles nécessitent des mesures de sécurité différentes, car le combustible nucléaire a des propriétés très différentes de celles du charbon ou d'autres combustibles fossiles. Elles obtiennent leur puissance thermique en divisant les noyaux des atomes dans le cœur de leur réacteur, l'uranium étant le choix dominant de combustible dans le monde actuel. Le thorium peut également être utilisé dans la production d'énergie nucléaire, mais il n'est pas utilisé couramment. Vous trouverez ci-dessous le fonctionnement de base d'un centrale à eau bouillante, qui montre les nombreux composants d'une centrale électrique, ainsi que la génération d'électricité.
Composants et fonctionnement
Réacteur nucléaire
Le réacteur est un élément clé d'une centrale électrique, car il contient le combustible et sa réaction nucléaire en chaîne, ainsi que tous les déchets nucléaires produits. Le réacteur est la source de chaleur de la centrale, tout comme la chaudière l'est pour une centrale au charbon. L'uranium est le principal combustible nucléaire utilisé dans les réacteurs nucléaires, et ce sont ses réactions de fission qui produisent la chaleur dans un réacteur. Cette chaleur est ensuite transférée au liquide de refroidissement du réacteur, qui fournit de la chaleur aux autres parties de la centrale nucléaire.
Outre leur utilisation pour la production d'électricité, il existe d'autres types de réacteurs nucléaires qui sont utilisés pour la fabrication de plutonium, la propulsion de navires, d'avions et de satellites, ainsi qu'à des fins de recherche et de médecine.[4] La centrale englobe non seulement le réacteur, mais aussi les tours de refroidissement, les turbines, les générateurs et divers systèmes de sécurité. Le réacteur est ce qui le différencie des autres machines thermiques externes.
Production de vapeur
La production de vapeur est commune à toutes les centrales nucléaires, mais la manière dont elle est réalisée varie énormément.
Les centrales électriques les plus courantes dans le monde utilisent des réacteurs à eau pressurisée, qui utilisent deux boucles d'eau en circuit fermé pour produire de la vapeur.[6] La première boucle achemine de l'eau liquide extrêmement chaude vers un échangeur de chaleur, où circule de l'eau à plus basse pression. Elle se réchauffe alors et bouillit en vapeur, et peut ensuite être envoyée dans la section turbine.
Les réacteurs à eau bouillante, qui sont les deuxièmes réacteurs les plus courants pour la production d'électricité, transforment directement l'eau du cœur en vapeur, comme le montre la figure 2.[6]
Turbine et générateur
Une fois la vapeur produite, elle se déplace à haute pression et vitesse à travers une ou plusieurs turbines. Celles-ci atteignent des vitesses extrêmement élevées, ce qui entraîne une perte d'énergie de la vapeur, qui se condense alors en l'eau liquide plus froide. La rotation des turbines est utilisée pour faire tourner un générateur électrique, qui produit de l'électricité qui est envoyée sur le réseau électrique.[8]
Tours de refroidissement
Le symbole le plus emblématique d'une centrale nucléaire est sans doute celui des tours de refroidissement, illustrées à la figure 4. Elles servent à rejeter la chaleur perdue dans l'atmosphère par le transfert de chaleur de l'eau chaude (de la section turbine) vers l'air extérieur plus froid.[4] HL'eau chaude se refroidit au contact de l'air et une petite partie, environ 2 %, s'évapore et remonte par le haut. De plus, ces installations ne rejettent pas de dioxyde de carbone - le principal gaz à effet de serre qui contribue au changement climatique. Cliquez ici pour voir comment fonctionne une tour de refroidissement.
De nombreuses centrales nucléaires se contentent de déverser la chaleur résiduelle dans une rivière, un lac ou un océan au lieu de disposer de tours de refroidissement. De nombreuses autres centrales électriques, comme les centrales au charbon, disposent également de tours de refroidissement ou de ces grands plans d'eau. Cette similitude existe parce que le processus de transformation de la chaleur en électricité est presque identique entre les centrales nucléaires et les centrales au charbon.
Rendement
Le rendement d'une centrale nucléaire est déterminé de la même manière que pour les autres machines thermiques, puisque, techniquement, la centrale est un grand machine thermique. La quantité d'énergie électrique produite pour chaque unité d'énergie thermique donne à la centrale son rendement thermique, et en raison de la deuxième loi de la thermodynamique, il existe une limite supérieure au rendement de ces centrales.
Les centrales nucléaires typiques atteignent des rendements d'environ 33-37 %, comparables à ceux des centrales à combustibles fossiles. Des températures plus élevées et des conceptions plus modernes comme les réacteurs nucléaires de génération IV pourraient potentiellement atteindre une efficacité supérieure à 45 %.[6]
En savoir plus
Veuillez consulter les pages suivantes pour obtenir de plus amples informations sur la science nucléaire et son rôle dans l'industrie énergétique.
- Uranium
- Réacteur nucléaire
- Énergie nucléaire
- Fission nucléaire
- Cycle du combustible nucléaire
- Déchets nucléaires
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Références
- ↑ IEA (2014), "World energy balances", IEA World Energy Statistics and Balances (database). DOI: http://dx.doi.org.ezproxy.lib.ucalgary.ca/10.1787/data-00512-en (Accessed February 2015)
- ↑ Wikimedia Commons [Online], Available: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/58/Darlington_Nuclear_Generating_Station_panorama2.jpg
- ↑ NRC. (June 25 2015). Boiling Water Reactor [Online], Available: http://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/students/animated-bwr.html
- ↑ 4,0 et 4,1 J.R. Lamarsh and A.J. Baratta, "Non-Nuclear Components of Nuclear Power Plants" in Introduction to Nuclear Engineering, 3rd ed., Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2001, ch.4, sec.3, pp. 129-133
- ↑ wikimedia Commons [Online], Available: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/79/Dampfturbine_Montage01.jpg
- ↑ 6,0 6,1 et 6,2 World Nuclear Association. (June 30 2015). Nuclear Power Reactors [Online], Available: http://www.world-nuclear.org/info/Nuclear-Fuel-Cycle/Power-Reactors/Nuclear-Power-Reactors/
- ↑ Michael Kappel on Flickr [Online], Available: https://www.flickr.com/photos/m-i-k-e/6541544889
- ↑ J.R. Lamarsh and A.J. Baratta, "Power Reactors and Nuclear Steam Supply Systems" in Introduction to Nuclear Engineering, 3rd ed., Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2001, ch.4, sec.5, pp. 136-185
