L'énergie nucléaire.

II) Comment exploite-t-on l’énergie nucléaire ?

Cette partie est divisée en deux sous parties : d’un côté l’exploitation d’un point de vue civil et de l’autre l’exploitation dans un but militaire.

A/De la mine d’uranium à l’énergie électrique

1)Extraction/Conversion

Notre voyage énergétique commence au Kazakhstan, pays représentant à lui seul plus de 40% de la production d’uranium en 2014, et plus précisément dans la mine de Tortkuduk qui, en 2010 était à la 6 ème place des mines les plus productive dans le monde, produisant 5% de l’uranium extrait cette année-là. Fait intéressant cette mine est exploitée par Areva une entreprise française détenue en majorité par le CEA (commissariat à l’énergie atomique) dont nous reparlerons dans ce TPE

[pic 1][pic 2]Ci-dessous la mine de Tortkuduk :

Une fois extrait de notre mine, le minerai d’uranium qui ressemble à peu près a ça :

[pic 3]

[pic 4]Va rejoindre une usine de traitement généralement située à proximité de la mine pour y subir une transformation chimique. Le petit caillou sur la photo va se faire concassé, broyé par des machines mécaniques puis traité et purifié à l’aide de procédé chimiques, les liquides obtenus vont être ensuite lavés, filtrés, précipités puis séchés. On va faire subir tout ce traitement pour obtenir un concentré solide d’uranium qu’on appelle « Yellow Cake » (gâteau jaune du fait de sa couleur et sa texture pâteuse en fin de procédé) contenant environ 75 % d'uranium, soit 750 kg par tonne. On est donc passé du caillou a une espèce de pate jaune qui va permettre beaucoup d’économie pour le transport. Le "Yellow cake" est par la suite conditionné et enfuté, puis expédié jusqu'aux usines de conversion pour y subir de nouveaux traitements chimiques. Et c’est là que ça se complique on va rentrer dans les détails de l’enrichissement de l’uranium.

Le Yellow Cake est converti en tétra fluorure (UF4) puis hexafluorure d’uranium (UF6) gazeux. Dans tous ces composés, les atomes d’uranium existent sous deux formes (deux isotopes) : l’uranium 238 et l’uranium 235. La plupart des réacteurs nucléaires en service dans le monde fonctionnent à partir de la fission d’uranium 235.On vous avait prévenu ce n’est pas simple. Il faut donc enrichir en uranium 235 la matière première qui va servir à fabriquer le combustible. Cette étape essentielle correspond à elle seule à 40% de son coût.

2)Enrichissement/Assemblage

Pour faire simple y a 3 techniques d’enrichissement ; mais on va en parler que d’une seule la plus répandue : L’ultracentrifugation Il s’agit de faire tourner l’UF6 à grande vitesse dans une centrifugeuse. Plus lourdes, les molécules d’UF6 formées d’uranium 238 se concentrent à la périphérie sous l’effet de la force centrifuge, tandis que celles contenant l’uranium 235 restent près de l’axe de rotation. Il suffit alors de les pomper. Des cascades de centrifugeuses permettent d’atteindre peu à peu la concentration voulue en isotope 235. . Une fois enrichi, l’UF6 est transformé en poudre d’oxyde d’uranium.

[pic 5][pic 6]Alors du coup on a notre uranium enrichi sous forme de poudre qu’on appelle Poudre d’oxyde d’uranium mais on n’a toujours pas fini le voyage. Avec cette poudre on va la transformer en petite pastilles qui sont ensuite densifiés et consolidés dans un four à haute température (de l’ordre de 1500 à 1700 °C) : c’est le frittage. Chaque pastille, qui ne mesure qu’un centimètre de long et pèse seulement 7g, peut libérer autant d’énergie qu’une tonne de charbon !

Ça libère autant d’énergie que ça (En vérité difficile de trouver une photo d’une tonne de charbon alors c’est une estimation)

La si vous vous demandiez pourquoi on utilise le nucléaire et pourquoi on ne l’arrête pas et bien vous avez la réponse principale, sa rentabilité, on estime que dans les réserves naturelles, l’uranium est 1000 fois plus abondant que l’or.

[pic 7]Bon on reprend on a ces petites pastilles, on va les enfiler dans des grands tubes en zarcoloy, un alliage de zarconium, on a qu’à dire que c’est du métal d’accord ? Donc ces tubes de 4m de long quand même qu’on peut voir juste la :

Ça mesure 4m mais ça reste très fin

[pic 8]On va les assembler les uns à côté des autres en forme de parallélépipèdes qui ressemble à ça :

Pour vous donner une petite idée chaque assemblage regroupe 264 crayons et une centrale de 1300Mw nécessite 193 assemblages ça en fait un paquet

3)Au cœur du réacteur

Là on arrive à la fin du voyage, et on va enfin accéder au cœur du réacteur, là ou à réaction atomique se passe, la fission.

Alors on va placer nos assemblages dans le réacteur et tout le travail va se faire à l’échelle microscopique. (C’est le dernier truc un peu compliqué alors accroché vous un peu mais rien d’insurmontable)

Donc les noyaux d’uranium 235 se font tirer des neutrons dessus alors ils se cassent en deux, en se fractionnant il libère de l’énergie, beaucoup d’énergie. Ces noyaux dès qu’il se cassent libèrent également 2 à 3 neutrons. Et la c’est simple les neutrons libérés vont aller taper dans les noyaux des atomes d’uranium 235 juste à côté qui vont libérer de l’énergie en se classant mais aussi des neutrons, et ainsi de suite on observe une réaction en chaine, et là vous avez une deuxième raison de l’attrait du nucléaire, il a fallu quelques neutrons au départ pour casser tous les noyaux de l’assemblage. Une très petite énergie de départ pour une grande a l’arrivée.

Là le zirconium entre en jeu (non désolé c’est pas juste du métal), ses propriétés physiques vont isoler le combustible et emprisonner les produits de fission radioactif formés. Autour des assemblages il y a un liquide qui circule, c’est un fluide caloporteur (Un fluide qui transporte la chaleur si vous voulez). Ce liquide va absorber la chaleur dégagée par la fission des noyaux (énergie=chaleur) et aller chauffer de l’eau. L’eau va chauffer, devenir vapeur d’eau, puis va être propulser sur une turbine, qui va tourner très vite, comme la vapeur qui fait tourner une cocotte-minute, Une turbine qui tourne ça fait de l’énergie cinétique ; et l’objet qui convertit l’énergie cinétique en énergie électrique c’est l’alternateur ! Voilà on est passé d’un bout de caillou d’une pate jaune bizarre a plus de 80% de la production d’électricité en France.

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