Un réacteur à eau bouillante (REB ) est un type de réacteur nucléaire largement utilisé dans les centrales nucléaires du monde entier, étant le deuxième plus courant après le réacteur à eau sous pression (PWR). Il représente environ 22 % des réacteurs installés dans les centrales nucléaires mondiales.
Conçu principalement pour la production d’électricité, le BWR utilise de l’eau légère à la fois comme modérateur de neutrons et comme liquide de refroidissement du cœur. L'une de ses particularités est de fonctionner avec un seul circuit d'eau, contrairement aux réacteurs REP qui nécessitent des circuits primaire et secondaire séparés.
De plus, en travaillant à des pressions plus faibles, le REB n'a pas besoin d'un boîtier aussi robuste que celui du REP, ce qui simplifie certains aspects de sa conception. Cependant, contrairement au REP, le REB ne dispose pas de générateur de vapeur, ce qui influe sur sa configuration et son fonctionnement.
Schéma de fonctionnement d'un réacteur à eau bouillante
La puissance du réacteur à eau bouillante est générée dans le cœur du réacteur. Dans le cœur du réacteur, il génère des réactions de fission nucléaire de l'élément combustible pour obtenir de l'énergie thermique.
La puissance du réacteur est régulée en introduisant ou en retirant des barres de commande du cœur, où se produisent des réactions nucléaires en chaîne.
Dans le réacteur BWR, l'eau utilisée est de l'eau légère (eau du robinet). Ce type de réacteur nucléaire utilise un seul circuit de refroidissement. L'eau légère circule dans le noyau où elle capte la chaleur des réactions nucléaires jusqu'à ce qu'elle atteigne la température d'ébullition et que de la vapeur soit générée.
La vapeur générée dans le cœur du réacteur sort par le haut. À ce stade, des sécheurs à vapeur et des séparateurs d’eau traitent la vapeur sortant du réacteur. Il se dirige ensuite directement vers les turbines.
Les turbines seront chargées de faire fonctionner le générateur électrique et de produire de l'électricité.
Enfin, la vapeur passe à travers un condenseur pour la reconvertir en eau liquide et recommencer le cycle.
Le réacteur à eau bouillante utilise un seul circuit de refroidissement, de sorte que la vapeur qui entraîne la turbine est constituée d'eau ayant traversé l'intérieur du réacteur. C'est pourquoi le bâtiment de la turbine doit être protégé pour éviter les émissions radioactives.
Principales caractéristiques d'un réacteur (REB)
Production directe de vapeur
Contrairement à d’autres types de réacteurs, comme le réacteur à eau sous pression (REP), dans le REB, l’eau est chauffée directement à l’intérieur du cœur du réacteur jusqu’à ce qu’elle atteigne son point d’ébullition. Cela signifie que la vapeur qui entraîne les turbines pour produire de l’électricité provient directement de l’intérieur du réacteur.
Cette conception élimine le besoin d'un circuit secondaire, simplifiant ainsi le transfert de chaleur.
Utilisation de l'eau comme liquide de refroidissement et modérateur
Le réacteur utilise de l'eau légère (H₂O) pour deux fonctions essentielles :
- Liquide de refroidissement : absorbe la chaleur générée lors de la fission nucléaire.
- Modérateur : Réduit la vitesse des neutrons, leur permettant d'être plus efficaces pour provoquer de nouvelles fissions.
Cela garantit que la réaction en chaîne est durable et contrôlée.
Pression de fonctionnement relativement faible
L'eau bout à l'intérieur du réacteur à une pression plus faible que dans d'autres réacteurs comme le REP. Cela se traduit par des conditions d'exploitation plus sûres et des exigences moindres en termes de matériaux de construction.
Interaction directe de la vapeur avec les turbines
La vapeur générée dans le cœur circule par un circuit directement vers les turbines. Là, son énergie cinétique est transformée en énergie mécanique puis en énergie électrique à l'aide d'un générateur.
Puisqu’il n’y a pas d’échange thermique intermédiaire, le système présente moins de pertes d’énergie.
Système de contrôle de puissance
La puissance du réacteur est régulée par :
- Le mouvement des barres de contrôle, qui absorbent les neutrons pour ralentir la réaction en chaîne.
- Ajustement du débit d'eau à travers le noyau, ce qui affecte la quantité de vapeur produite.
- Ce système permet une régulation rapide et précise de l’énergie générée.
Contamination radioactive dans le circuit primaire
Puisque la vapeur provient directement du cœur du réacteur, elle peut contenir de petites quantités de matières radioactives. C'est pourquoi l'ensemble du circuit qui transporte la vapeur doit être soigneusement protégé et surveillé.
Conception de sécurité avancée
Bien que les REB soient de conception plus simple que les autres réacteurs, ils comprennent plusieurs systèmes de sécurité, tels que des systèmes de refroidissement d'urgence et un confinement primaire et secondaire pour empêcher le rejet de matières radioactives.
Avantages et inconvénients du réacteur à eau bouillante
Comparés à d’autres types de réacteurs de puissance, les REB présentent les atouts et les faiblesses suivants :
Avantages
- Le combustible nucléaire utilisé par le réacteur nucléaire est des oxydes d'uranium enrichis entre 2 % et 4 %.
- Le réacteur à eau bouillante n'utilise pas de générateurs de vapeur ni de compensateurs de pression.
- Le premier circuit du réacteur fonctionne à une pression de 70 atmosphères contre 160 atmosphères utilisées pour les réacteurs REP (réacteur à eau sous pression).
- Nécessite des températures de fonctionnement plus basses, y compris dans les crayons combustibles.
- En raison du rejet de l'absorption des neutrons dans le bore et d'une modération neutronique légèrement plus faible (due à la vapeur), la durée de fonctionnement du plutonium dans un tel réacteur sera plus longue que dans le REP.
- Le récipient sous pression est soumis à moins d’irradiation que dans un réacteur à eau sous pression. C’est pour cette raison qu’il ne se fragilise pas avec l’âge.
Inconvénients
- Impossibilité de recharger le combustible nucléaire sans arrêter le réacteur nucléaire.
- Gestion plus compliquée.
- Les barres de contrôle doivent être insérées par le bas. En cas de perte de puissance, ils ne pourraient pas tomber dans le réacteur par gravité et le réacteur ne s'arrêterait pas.
- Nécessité d'un plus grand nombre de capteurs de rétroaction.
- Il faut une cuve de réacteur d’un volume environ 2 fois plus grand que celui d’un REP de puissance comparable.
- Bien qu’il soit conçu pour une pression plus faible, il est plus difficile à fabriquer et à transporter.
- Contamination des turbines par des produits d'activation de l'eau : N-17 de courte durée et traces de tritium. Cela complique un peu le travail de maintenance.
- Une fois les barres de contrôle entièrement entrées, la réaction s’arrête. Cependant, le combustible nucléaire émet toujours de la chaleur. Cela signifie qu'une fois le réacteur arrêté, le liquide de refroidissement doit continuer à être pompé pendant un à trois ans pour être sûr.
Exemples présentés
Voici quelques exemples notables de réacteurs nucléaires à eau bouillante (REB) :
1. Centrale nucléaire de Fukushima Daiichi (Japon)
La centrale de Fukushima Daiichi, tristement célèbre pour l'accident nucléaire de 2011, utilisait des réacteurs BWR conçus par General Electric. C'était l'une des installations nucléaires les plus importantes du Japon avant la catastrophe, avec six réacteurs BWR en activité.
Cette centrale disposait de six réacteurs BWR opérationnels : la puissance du réacteur était de 460 MW, tandis que la puissance moyenne des réacteurs 2 à 6 était comprise entre 784 et 1 100 MW.
2. Centrale nucléaire de Browns Ferry (États-Unis)
Située en Alabama, cette centrale est l'une des plus grandes centrales nucléaires au monde en termes de capacité de production et exploite trois réacteurs BWR. Ces réacteurs ont également été construits par General Electric.
Cette centrale dispose de 3 réacteurs :
- Réacteur 1 : 1 065 MW, en service depuis 1974.
- Réacteur 2 : 1 113 MW, en service depuis 1975.
- Réacteur 3 : 1 113 MW, en service depuis 1977
3. Centrale Nucléaire d'Oskarshamn (Suède)
La centrale électrique d'Oskarshamn abrite l'un des plus grands réacteurs BWR au monde en termes de capacité de production, conçu pour fournir de l'électricité à la Suède et à ses environs.
4. Centrale nucléaire de Laguna Verde (Mexique)
C'est la seule centrale nucléaire du Mexique, située dans l'État de Veracruz, et elle exploite deux réacteurs BWR. Il contribue de manière significative à la production d'énergie électrique dans le pays
5. Centrale nucléaire de Kashiwazaki-Kariwa (Japon)
Considérée comme l'une des plus grandes centrales nucléaires au monde, Kashiwazaki-Kariwa compte sept réacteurs, dont certains sont de type BWR et d'autres de type ABWR (réacteurs avancés à eau bouillante).