Nous pouvons produire de l'énergie électrique par le biais de l'énergie nucléaire. Dans une centrale nucléaire, l'énergie électrique est générée par réaction nucléaire. Ici, des éléments radioactifs lourds tels que l'uranium (U235) ou le thorium (Th232) sont soumis à la fission nucléaire. Cette fission est réalisée dans un appareil spécial appelé réacteur.
Dans le processus de fission, les noyaux d'atomes radioactifs lourds sont brisés en deux parties presque égales. Lors de cette rupture des noyaux, une quantité considérable d'énergie est libérée. Cette libération d'énergie est due à un défaut de masse. Cela signifie que la masse totale du produit initial est réduite pendant la fission. Cette perte de masse pendant la fission est convertie en énergie thermique selon l'équation célèbre établie par Albert Einstein.
Le principe de base d'une centrale nucléaire est le même qu'une centrale thermique conventionnelle. La seule différence est que, au lieu d'utiliser la chaleur générée par la combustion du charbon, dans une centrale nucléaire, la chaleur générée par la fission nucléaire est utilisée pour produire de la vapeur à partir de l'eau dans la chaudière. Cette vapeur est utilisée pour entraîner une turbine à vapeur.
Cette turbine est le moteur principal de l'alternateur. Cet alternateur génère de l'énergie électrique. Bien que la disponibilité du combustible nucléaire ne soit pas très grande, une très petite quantité de combustible nucléaire peut générer une quantité énorme d'énergie électrique.
C'est la caractéristique unique d'une centrale nucléaire. Un kilogramme d'uranium est équivalent à 4500 tonnes métriques de charbon de haute qualité. Cela signifie que la fission complète d'un kilogramme d'uranium peut produire autant de chaleur que la combustion complète de 4500 tonnes métriques de charbon de haute qualité.
C'est pourquoi, bien que le combustible nucléaire soit beaucoup plus coûteux, le coût du combustible nucléaire par unité d'énergie électrique est toujours inférieur au coût de l'énergie produite par d'autres combustibles comme le charbon et le diesel. Pour faire face à la crise des combustibles conventionnels à l'ère actuelle, les centrales nucléaires peuvent être les alternatives les plus appropriées.
Comme nous l'avons dit, la consommation de combustible dans cette centrale est assez faible, et par conséquent, le coût de production d'une unité d'énergie est beaucoup moins élevé que les autres méthodes de production d'énergie conventionnelles. La quantité de combustible nucléaire requise est également moindre.
Une centrale nucléaire occupe un espace beaucoup plus petit par rapport aux autres centrales conventionnelles de la même capacité.
Cette centrale n'a pas besoin de beaucoup d'eau, il n'est donc pas essentiel de construire la centrale près de sources naturelles d'eau. Elle n'a également pas besoin d'une grande quantité de combustible, il n'est donc pas non plus essentiel de construire la centrale près d'une mine de charbon ou d'un endroit où de bonnes installations de transport sont disponibles. En raison de cela, la centrale nucléaire peut être établie très près du centre de charge.
Il existe de grandes réserves de combustible nucléaire à l'échelle mondiale, ce qui permet à ces centrales d'assurer un approvisionnement continu en énergie électrique pour les milliers d'années à venir.
Le combustible n'est pas facilement disponible et il est très coûteux.
Le coût initial de construction d'une centrale nucléaire est assez élevé.
L'installation et la mise en service de cette centrale sont beaucoup plus complexes et sophistiquées que celles des autres centrales conventionnelles.
Les sous-produits de la fission sont radioactifs, et ils peuvent causer une pollution radioactive élevée.
Le coût de maintenance est plus élevé et la main-d'œuvre nécessaire pour faire fonctionner une centrale nucléaire est beaucoup plus importante, car des personnes formées spécialisées sont nécessaires.
Les fluctuations soudaines de la charge ne peuvent pas être gérées efficacement par les centrales nucléaires.
Comme les sous-produits des réactions nucléaires sont hautement radioactifs, leur élimination est un problème majeur. Ils ne peuvent être éliminés que profondément sous terre ou dans la mer, loin du littoral.
Une centrale nucléaire a principalement quatre composants.
Réacteur nucléaire
Échangeur de chaleur
Turbine à vapeur
Alternateur
Discutons de ces composants un par un:
Dans un réacteur nucléaire, l'uranium 235 est soumis à la fission nucléaire. Il contrôle la réaction en chaîne qui commence lorsque la fission est réalisée. La réaction en chaîne doit être contrôlée, sinon le taux d'énergie libérée sera rapide, avec un risque élevé d'explosion. Dans la fission nucléaire, les noyaux du combustible nucléaire, tels que l'U235, sont bombardés par un flux lent de neutrons. À cause de ce bombardement, les noyaux d'uranium se brisent, ce qui provoque la libération d'une énorme quantité d'énergie thermique et, lors de la rupture des noyaux, un certain nombre de neutrons sont également émis.
Ces neutrons émis sont appelés neutrons de fission. Ces neutrons de fission provoquent une fission supplémentaire. Cette fission supplémentaire crée plus de neutrons de fission, qui accélèrent à nouveau la vitesse de la fission. C'est un processus cumulatif.
Si le processus n'est pas contrôlé, en un très court laps de temps, le taux de fission devient si élevé qu'il libère une quantité énorme d'énergie, ce qui peut provoquer une explosion dangereuse. Cette réaction cumulative est appelée réaction en chaîne. Cette réaction en chaîne ne peut être contrôlée que par l'élimination des neutrons de fission du réacteur nucléaire. La vitesse de la fission peut être contrôlée en modifiant le taux d'élimination des neutrons de fission des réacteurs.
Un réacteur nucléaire est un récipient cylindrique à pression élevée. Les barres de combustible sont fabriquées à partir de combustible nucléaire, c'est-à-dire d'uranium, qui est généralement recouvert de graphite. Les modérateurs ralentissent les neutrons avant leur collision avec les noyaux d'uranium. Les barres de contrôle sont fabriquées en cadmium, car le cadmium est un absorbeur puissant de neutrons.
Les barres de contrôle sont insérées dans la chambre de fission. Ces barres de contrôle en cadmium peuvent être poussées vers le bas ou tirées vers le haut selon les besoins. Lorsqu'elles sont suffisamment abaissées, la plupart des neutrons de fission sont absorbés par ces barres, ce qui arrête la réaction en chaîne. De nouveau, lorsque les barres de contrôle sont relevées, la disponibilité des neutrons de fission augmente, ce qui accélère le taux de réaction en chaîne.
Il est donc clair que, en ajustant la position des barres de contrôle, on peut contrôler le taux de réaction nucléaire et, par conséquent, la production d'énergie électrique peut être contrôlée en fonction de la demande de charge. En pratique, le poussage et le retrait des barres de contrôle sont contrôlés par un système de rétroaction automatique en fonction de la demande de charge. Ce n'est pas contrôlé manuellement. La chaleur libérée lors de la réaction nucléaire est transportée à l'échangeur de chaleur par un fluide caloporteur constitué de sodium métallique.
Dans un échangeur de chaleur, la chaleur transportée par le sodium métallique est dissipée dans l'eau, et l'eau est convertie en vapeur à haute pression. Après avoir libéré la chaleur dans l'eau, le fluide caloporteur en sodium revient au réacteur par l'intermédiaire d'une pompe de circulation de fluide caloporteur.
Dans une centrale nucléaire, la turbine à vapeur joue le même rôle qu'une centrale thermique au charbon. La vapeur entraîne la turbine de la même manière. Après avoir accompli sa tâche, la vapeur d'échappement arrive dans un condenseur de vapeur où elle est condensée pour libérer de l'espace à la vapeur derrière elle.
