Une centrale nucléaire fonctionne en grande partie comme une centrale thermique classique. La chaleur est toutefois produite par la fission nucléaire et non par la combustion du charbon, du gaz naturel ou de la biomasse. La chaleur dégagée par la fission nucléaire est convertie en vapeur qui entraîne une turbine et fait de cette manière tourner un alternateur. Cet alternateur convertit l'énergie mécanique en énergie électrique.

Fission nucléaire

Toute la matière est composée d'atomes. Ces atomes sont constitués d'un noyau autour duquel tournent les électrons. Le noyau même se compose de protons et de neutrons. Dans un réacteur nucléaire, de l'énergie thermique est dégagée par la fission des noyaux des atomes lourds, tel que l'uranium. Cela est réalisé en les bombardant de neutrons. À chaque fission, 2 ou 3 neutrons sont dégagés. Ceux-ci provoquent à leur tour de nouvelles fissions et créent ainsi une réaction en chaîne.

Dans un réacteur nucléaire, il est important que cette réaction en chaîne soit contrôlée. Après chaque fission, seul un neutron dégagé peut provoquer une nouvelle fission. L'excédent de neutrons dans le réacteur doit donc être absorbé. Cela peut être réalisé en ajoutant de l'acide borique à l'eau dans la cuve du réacteur et en descendant les barres de contrôle dans la cuve du réacteur. En laissant tomber toutes les barres de contrôle en même temps, la réaction s'arrête 1,3 seconde plus tard.

Comment fonctionne une centrale nucléaire ?

Une centrale nucléaire à réacteur à eau pressurisée (réacteur à haute pression) comme à Doel ou Tihange possèdent trois circuits d’eau indépendants :

• Un circuit primaire
• Un circuit secondaire
• Un circuit tertiaire

Les centrales nucléaires de Doel et Tihange utilisent de l'uranium comme matière fissile. Dans la nature, l'uranium existe sous 3 formes : 99 % d'uranium-238, 0,7 % d'uranium-235 et une quantité minime d'uranium-234. Le noyau d'uranium-235 est fissile, celui de l'uranium-238 ne l'est pas. Le mélange d'uranium extrait des mines est enrichi jusqu'à ce qu'il contienne environ 4 % d'uranium-235. C'est la concentration idéale pour une réaction en chaîne.

La cuve du réacteur est une grande cuve en acier à parois épaisses dans laquelle se trouvent des produits de fission. Ces cuves sont remplies de petites pastilles de matière fissile d'oxyde d'uranium. Les barres sont placées regroupées dans le réacteur. La chaleur qui est dégagée lors de la fission des noyaux d'uranium est absorbée par l'eau du circuit primaire. Celle-ci chauffe jusqu'à une température très élevée. Le pressuriseur maintient l'ensemble sous haute pression, de manière à éviter que l'eau ne bouille ou que de la vapeur se forme. D'où le nom de réacteur à haute pression.

L'eau chaude est ensuite dirigée vers un échangeur thermique, un générateur de vapeur. C'est le réservoir cylindrique avec des milliers de tuyaux en forme de U inversé. L'eau circule dans ces tuyaux et transmet la chaleur à l'eau du circuit secondaire, qui circule à l'extérieur des tuyaux. Cette eau se réchauffe et se transforme en vapeur. Lorsque l'eau du circuit primaire a transmis sa chaleur, une pompe la renvoie vers le réacteur.

La vapeur provenant des générateurs de vapeur entraîne une ou plusieurs turbines à vapeur. Celles-ci se composent d'une série de pales montées sur un arbre. En raison de la pression importante de la vapeur, l'arbre tourne très rapidement. La turbine entraîne de cette manière un alternateur qui produit finalement de l'électricité. Un peu comme la dynamo d'un vélo. Les transformateurs acheminent la tension à la sortie de l'alternateur pour amener l'électricité aux utilisateurs avec le moins de pertes possible.

Que se passe-t-il avec la vapeur qui provient des turbines ? Elle passe dans un condenseur. Il s'agit d'un échangeur thermique avec des milliers de tuyaux. L'eau de refroidissement du circuit tertiaire coule dans ces tuyaux. À Doel, cette eau de refroidissement provient de l'Escaut et à Tihange, de la Meuse. La vapeur transmet sa chaleur à l'eau de refroidissement et se condense à nouveau en eau. Celle-ci est renvoyée vers le générateur de vapeur pour la réchauffer à nouveau en vapeur.

L'eau de refroidissement réchauffée est acheminée à son tour vers les tours de refroidissement. Elle y refroidit au contact d’un flux d'air ascendant. C'est l'effet de cheminée naturel. La plus grande partie de cette eau est recueillie dans un bassin au fond de la tour de refroidissement et réacheminée vers le condenseur. Seule une petite partie (1,5 %) quitte la tour de refroidissement sous forme de vapeur.