production d-'énergie électrique

8/4/2019 production d-'nergie lectrique

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Production dnergie lectrique Introduc

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Introduction :

Au dbut de lutilisation de lnergie lectrique, les installation taient de faible puissance :

elles se limitaient un immeuble ou un groupe dimmeubles.

La production de lnergie tait assure par de petites gnratrices qui fournissaient

directement la tension utilisable.Les pertes de charge importantes interdisaient le transport grande distance et les usines

gnratrices taient implantes au centre gographique des rseaux alimenter : on leur donna le

nom de centrales lectriques.

Le dveloppement rapide des multiples applications de llectricit (force motrice, clairage,

etc.) provoqua un accroissement considrable des demandes en provenance dusagers de plus en

plus nombreux, entranant ainsi une augmentation importante de la production dnergie lectrique.

Dans le but damliorer le rendement nergtique, les anciennes sources locales furent

remplaces progressivement par des usines lectriques utilisant des matriels importants : le

transport et la distribution de lnergie lectrique sen trouvrent compltement transforms.

Lnergie lectrique est actuellement produite par des alternateurs accoupls des moteurs

dont le fonctionnement fait appel principalement lnergie thermique (emploi dun combustible)

ou lnergie hydraulique (emploi de la houille blanche).

La figure 1 schmatise les trois aspects successifs sous lesquels se prsente la fourniture de

lnergie lectrique : production, transport distribution.

Figure 1 Fourniture de l'nergie lectrique


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Appel de puissance dun rseau :

La puissance demande par lensemble des clients dun rseau subit de grandes fluctuations

selon lheure de la journe et selon les saisons. Le graphique de la figure 2 montre des variations

quotidiennes et saisonnires typiques pour un rseau. On constate sur ce graphique que lappel de

puissance maximale pendant lhiver (15GW) peut tre plus du double de lappel minimal pendant

lt (6GW)

Figure 2 Fluctuations typiques de l'appel de puissance durant une anne.

La figure 3 montre, pour le mme rseau, la variation horaire de lappel de puissance pourune journe dhiver et pour une journe dt. On remarque dans cet exemple que la pointe de

15GW en hiver se produit vers 17h, car cest ce moment que les lumires sont allumes dans

toutes les maisons et que plusieurs usines sont encoure en marche. Par contre, le creux de la

demande arrive aux petites heures du matin.

Figure 3 Fluctuation de l'appel de puissance durant une journe.


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Si lon ramne les appels de puissance journaliers une base annuelle, on obtient le

graphique de la figure 4. Par exemple, cette figure indique quun appel de puissance de 9GW existe

pendant 70% du temps, tandis quun appel de 12GW ne se produit que 15% du temps. On saperoit

quune puissance de base de 6GW est requise en tout temps, quune puissance intermdiaire de

6GW est requise pendant au moins 15% du temps et quune puissance de pointe de 3GW nest

requise que pendant une courte priode. Ces fluctuations de lappel de puissance obligent lescompagnies dlectricit prvoir trois classes de centrales de gnration :

1) les centrales de base de grande puissance qui dbitent leur pleine capacit en touttemps. Les centrales nuclaires sont particulirement aptes remplir ce rle.

2) Les centrales intermdiaires de puissance moyenne qui ragir rapidement auxfluctuations de la demande. Cest le cas des centrales hydrauliques dont le dbit est

facilement contrlable.

3) Les centrales de pointe de puissance moyenne qui ne dbitent leur pleine capacit quependant de courtes priodes.

Figure 4 Appel de puissance en fonction de son temps d'utilisation annuel.

Les centrales de pointe doivent tre mises en marche dans un dlai trs court ; elles utilisent

donc des moteurs diesel, des turbines gaz, des moteurs air comprim ou des turbines

hydrauliques rserve pompe. Remarquons que la priode damorage est de quatre huit heures

pour les centrales thermiques et de quelques jours pour les centrales nuclaires. Il nest donc pas

conomique dutiliser ces centrales pour fournir la puissance de pointe.

Quand aux considrations nergtiques, la figure 4 rvle que les centrales de base de 6GW

fournissent 58% de lnergie annuelle du rseau. Par contre, les centrales de pointe de 3GW

donnent seulement 1.3% de lnergie totale. Lnergie provenant des centrales de pointe cote donc

beaucoup plus cher que celle des centrales de base, cest pourquoi les compagnies dlectricitencouragent les usagers limiter leur charge de pointe.


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Types de centrales :

Il existe trois principaux types de centrales pour produire de lnergie lectrique :

a) les centrales hydrauliquesb) les centrales thermiquesc) les centrales nuclaires.

Bien quon puisse exploiter le vent, les mares et lnergie rayonnante du soleil, ces sources

dnergie ne reprsentent, pour les annes venir, quune petite partie de lnergie totale dont nous

aurons besoin. Tout semble indiquer quau niveau mondial nous continuerons exploiter les

ressources fossiles (charbon, gaz naturel) et nuclaires.

Figure 5 Filires de production d nergie lectrique

Donc on peut reprsenter la production dnergie lectrique en quatre filires :

Filire Hydraulique

Types dinstallations hydrauliquesCentrales de pompageFilire thermique combustibles fossiles

Thermique classiqueCombinaison Turbine Gaz, Vapeur

Filire nuclaireFilires nouvelles

Convertisseurs oliensPiles combustibleConvertisseurs photovoltaques


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Emplacement des centrales:

L'emplacement des centrales de gnration, des linges de transport et des postes de transformation

demande toujours une analyse dtaille pour arriver une solution acceptable et conomique.

Parfois, on peut placer une centrale ct de la source d'nergie primaire et utiliser des linges pour

transporter l'nergie lectrique.

Quand cela n'est pas pratique ou conomique, on doit transporter la matire premire (charbon,

mazout, gaz naturel, etc.,) par bateau, train, pipeline,etc., jusqu' la centrale. Les centrales peuvent

donc tre plus ou moins loignes de l'usager.


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Production dnergie lectrique Centrales hydrauliques

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CENTRALES HYDRAULIQUES:Les centrales hydrolectriques convertissent l'nergie de l'eau en mouvement en nergie

lectrique. L'nergie provenant de la chute d'une masse d'eau est tout d'abord transforme dans uneturbine hydraulique en nergie mcanique. Cette turbine entrane un alternateur dans lequell'nergie mcanique est transforme en nergie lectrique.

1- Puissance disponible:

D'une faon gnrale, la puissance que l'on peut tirer d'une chute dpend non seulement dela hauteur de la chute, mais aussi du dbit du cours d'eau. Le choix de l'emplacement d'une centralehydro-lectrique dpend donc de ces deux facteurs.La puissance disponible est donne par l'quation:

P= 9.8 q hP = puissance hydraulique, en [kW]q = dbit en mtres cubes par seconde [m3/s]9.8 = coefficient tenant compte des units.

A cause des pertes, la puissance mcanique que l'on peut recueillir sur l'arbre de la turbineest infrieure la puissance fournie par l'eau. Cependant, le rendement des turbines hydraulique estlev: de l'ordre de 80 94% pour les grosses units. Dans les alternateurs, la transformation de la

puissance se fait un rendement de 97 98.5%.

2- Types des centrales hydrauliques:

Suivant la hauteur de chute, on distingue:1) les centrales de haute chute ont des hauteurs de chute suprieurs 300m; elles utilisant des

turbines Pelton. Ces centrales se trouvent dans les Alpes et dans d'autres rgions trsmontagneuses. La capacit du rservoir est relativement faible.

Figure 6 Centrale hydraulique de haute chute

2) les centrales de moyenne chute ont des hauteurs comprises entre 30m et 300m; ellesutilisant des turbines Francis. Ces centrales sont alimentes par l'eau retenue derrire un

barrage construit dans le lit d'une rivire de rgion montagneuse. Elles comportent un

rservoir de grande capacit.


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Figure 7 Centrale hydraulique de moyenne chute

3) les centrales de basse chute, ou centrales au fil de l'eau, ont des hauteurs de chuteinfrieures 30m; elles utilisent des turbines Kaplan ou Francis. Ces centrales sont tabliessur les fleuves ou les rivires fort dbit.

Figure 8 Centrale hydraulique de basse chute

Les ouvrages d'amnagement, la vitesse et le type des turbines et des alternateurs varientsuivant la hauteur de chute et le dbit du cours d'eau.

4- Parties principales d'une centrale hydraulique:

Une centrale hydro-lectrique comporte essentiellement:1- le barrage: les barrages de retenue sont tablis en travers du lit des rivire; ils servent

concentrer les chutes prs des usines et former des rservoirs d'emmagasinage. On peut


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ainsi, crer des rserves d'eau pour compenser l'insuffisance de dbit pendant les priodesdes scheresses et assurer l'usine une alimentation en eau plus uniforme. Les barrages peuttre en bton, en enrochement ou en terre. Les barrages du type poids sont les plus utiliss;ils s'opposent la pousse des eaux par leur masse mme.

2- le dversoir (vacuateur de crue): installs prs des barrages sont destins laisser passerl'eau lorsque son niveau dpasse une certaine hauteur. Ils permettent d'vacuer sans dgts

les dbits considrables rsultant de la fonte des neiges ou provoqus par des pluies delongue dure.3- la conduite d'amene: la conduite d'amene conduit l'eau du barrage jusqu'aux turbines. A

l'extrieur de l'usine, elle est constitue par un canal, un tunnel ou un tuyau. La partieintrieure, appele conduite force, est en bton, en acier ou en fonte. On dispose, l'entrede la conduite force, des vannes qui permettent de contrler l'admission de l'eau. A la sortiede la conduite force des amnagements moyenne et basse chute, l'eau arrive dans lachambre de mise en charge d'o elle est distribue aux diffrentes turbines. Une couronnefixe entoure chaque turbine et assure une rpartition uniforme de l'eau sur son pourtour. Unesrie de portes, ou vannes mobiles, disposes auteur de la turbine permettent de rglerl'admission de l'eau dans celle-ci. Ces vannes sont commandes par le rgulateur de vitesse.

4- la conduite d'chappement: aprs tre passe dans les turbines, l'eau retourne dans la rivire par la conduite d'chappement. La conduite d'chappement comporte une chemine desuccion et un canal de fuite qui peut tre le lit mme de la rivire.

5- Salle de commande: les appareils de commande et de contrle sont groups ensemble dansune salle d'o le personnel peut surveiller la marche des groupes gnrateurs. Les appareilsde signalisation et les appareils de commandes distance de l'excitatrice, du rgulateur devitesse et du disjoncteur de chaque groupe gnrateur sont monts sur un pupitre. Lesinstruments de signalisation, indicateurs et enregistreurs, les rgulateurs de tension ainsi queles relais de protection et les diffrents systmes d'alarmes sont runis sur des panneaux.

5- Centrales rserve pompe:On a vu que la variation de l'appel de puissance d'un rseau ncessite l'installation de

centrales de pointe. Considrons un rseau simple dont l'appel de puissance varie entre 100MW et160MW selon la courbe de la figure 4. on pourrait installer une centrale de base de 100MW et unecentrale de pointe de 60MW, celle-ci utilisant une turbine gaz.

Figure 9 Centrale de base et centrale de pointe conventionnelle allimentant une charge maximale de160MW


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Cependant, on peut envisager une deuxime solution: elle consiste installer une centrale de base de 130MW et une centrale de pointe spciale de 30MW. Cette centrale de pointe aura laproprit, non seulement de dbiter de l'nergie lectrique, mais aussi d'en recevoir. Pendant les priodes creuses la centrale de pointe reoit et emmagasine de l'nergie de la centrale de base.Ensuite, lors des heures de pointe, elle restitue au rseau l'nergie qu'elle avait emmagasine.

Figure 10 Centrale de base et centrale rserve pompe allimentant une charge maximale de160MW

Ce systme possde plusieurs avantages:1)- on peut utiliser une plus grande centrale de base, ce qui augmente le rendement.2)- la capacit de la centrale de pointe est rduite, ce qui diminue son cot.

Ces quantits normes d'nergie ne peuvent tre emmagasines que par des mthodesmcaniques. C'est ainsi qu'on emploie des centrales rserve pompe. Pendant les heures de pointe;ces centrales fonctionnent comme des centrales hydrauliques classiques, utilisant l'nergie de l'eauqui s'coule d'un rservoir suprieur dans un rservoir infrieur. Pendant les priodes creuses, lesalternateurs fonctionnent comme des moteurs synchrones et entranent les turbines qui deviennentd'normes pompes prenant l'eau dans le rservoir infrieur pour la renvoyer dans le rservoirsuprieur.

Figure 11 Centrale rserve pompe


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Le cycle se rpte une ou deux fois par jour, selon la nature du rseau et de la charge. Lesmachines ont une puissance comprise entre 50MW et 500MW et elles doivent tre rversible. Caron doit changer le sens de rotation lorsque la turbine fonctionne comme pompe. Le dmarrage deces gros moteurs synchrones impose une forte charge sur la ligne d'alimentation et l'on utilise

parfois des mthodes spciales pour viter une surcharge excessive.Les centrales rserve pompe compltent bien les centrales nuclaires qui atteignent leur

rendement maximal lorsqu'ellEs fonctionnent dbit constant.


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Production dnergie lectrique Centrales thermiques

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CENTRALES THERMIQUES

Les centrales thermiques produisent llectricit partir de la chaleur qui se dgage de la

combustion du charbon, du mazout ou du gaz naturel. La plupart ont une capacit comprise entre

200MW et 2000MW afin de raliser les conomies dune grosse installation.

Donc, les centrales thermiques font usage de lnergie calorifique contenue dans les

combustibles. Celle-ci peut tre utilise de diffrentes manires :

Dans les centrales vapeur, le combustible de produit fossiles (ptrole, charbon, gaznaturel,) est brler dans les chaudires qui fournissent de la vapeur aux groupes

gnrateurs turbines.

Dans les centrales moteur gaz, on utilise directement dans les machines piston les gazde rcupration des hauts fourneaux ou des fours coke.

On ralise gnralement, dans les centrales moteur diesel, une utilisation directe delnergie de combustible (mazout).

La turbine gaz prend actuellement de lextension principalement comme source dnergiepoint de vue rserve. Une variante rcente fait usage de turboracteurs issus de laviens

raction pour produire les gaz chauds assurant laction de la turbine.

Sous le mme type de centrales thermiques, on peut introduire les centrales nuclaires, olnergie primaire se prsente sous la forme dun dgagement de chaleur caus par lacombustion de produits fissiles (uranium, plutonium).

1- Combustibles :

Les combustibles industriels utiliss dans les centrales thermiques doivent pouvoir produire une

grande quantit de chaleur haute temprature, tre dallumage facile et entretenir eux-mmes leur

inflammation. En outre, on doit pouvoir les trouver en abondance dans la nature et leur prix de

revient doit tre faible. Ils se prsentent, soit sous leur forme naturelle, soit sous une forme

artificielle.

1-1- La combustion :

Certaines raction chimiques, notamment celles impliquant des atomes doxygne, produisent

non seulement une nouvelle substance, mais dgagent, en mme temps, de lnergie sous forme de

chaleur. Dans certaines ractions, la chaleur dgage est tellement grande que laugmentation de

temprature qui en rsulte porte les lment lincandescence et produit ce quon appelle un feu.

Ce type de raction est une raction de combustion.


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Loxygne de lair ragit vivement avec les atomes de carbone (C), dhydrogne (H), de soufre

(S) et toutes les substances contenant ces atomes.

1-2- Les lments combustibles :

Lunion des atomes doxygne avec les atomes de carbone, dhydrogne, de soufre, etc., se faitdans des proportions prcises et connues. La chaleur dgage et les nouvelles substances cres

peuvent donc tre dtermines davance lorsque lon connat la nature du combustible. Le tableau 1

en donne les dtails.

Tableau 1- combustibles et produits de combustion

Type Masse(kg)

Massedoxygne

requise(kg)

Chaleurdgage

(MJ)

Produits dela

combustion

Massedair

requise(kg)

Volume dairrequis 20C

et 101kPa (m3

)

Carbone 1 2.67 33.8 CO2 11.5 9.6

Hydrogne 1 8 120 H2O 34.5 28.8

Soufre 1 1 9.3 SO2 4.3 3.6

Mthane

CH41 4 50 CO2 + H2O 17.2 14.3

Ethane

C2H61 3.73 47.5 CO

2+ H

2O 16.1 13.4

Propane

C3H81 3.64 46.5 CO2 + H2O 15.6 13

NB : comme lair sec contient 23.2% doxygne par unit de masse, il faut multiplier la masse

doxygne par 4.3 pour obtenir la masse dair requise pour la combustion complte.

A partir des valeurs donnes dans le tableau 1, on peut calculer la valeur calorifique de

nimporte quel combustible dont on connat leur composition.Par exemple, lorsquon prend le charbon dont la composition est 55% carbone, 2% hydrogne,

1% soufre et 42% autre lment, donc :

Energie de 1kg de charbon= 55%33.8 + 2%120 + 1%9.3 + 42%0= 21MJ

1-3- Produits de la combustion :

Le gaz carbonique CO2 et leau nont pas deffet nfaste sur lenvironnement, mais le dioxyde

de soufre SO2

cre des substances qui irritent les voies respiratoires. Les particules poussireuses

sont une autre source de pollution quon essaie denrayer. La combustion de gaz naturel produit


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seulement de leau et de CO2, cest pourquoi on utilise ce gaz lorsquil faut tout prix viter la

pollution.

1-4- Types de combustibles :

Les diffrents types de combustibles utiliss dans les chaudires sont les suivants : Combustibles solides : lignite, charbon ou dchets de charbon. Cest le charbon qui est

le plus employ. Lutilisation de brleurs dans les centrales modernes exige que le

combustible soit finement broy pour permettre sa pulvrisation.

Combustibles liquides : gas-oil, fuel-oil (mazout). Ces combustibles sont trsavantageux au point de vue stockage, commodit demploi et rendement. Plusieurs

centrales sont quipes pour fonctionner au mazout. On utilise galement les

combustibles liquides pour lallumage des chaudires qui fonctionnent au charbon

pulvris.

Combustibles gazeux : gaz de haut fourneau et gaz naturel. Le gisement de gaz naturelest utilis pour alimenter quelques centrales thermiques.

2- Choix de lemplacement :

Les facteurs ci-aprs doivent tre pris en considration dans le choix de lemplacement

dune centrale thermique :

1- Elle doit tre suffisamment rapproche du rseau desservir.2- La proximit de la source dnergie primaire (mine, port,) est importante car elle influe

sur le prix du transport du combustible.

3- Il faut disposer dune superficie qui permette des extensions futures, ce dans des conditionsconomiques favorables.

4- Il est indispensable de disposer dune quantit deau suffisante pour assurer les besoins de lacondensation. Lobligation de recourir des rfrigrants majorerait, dune manire non

ngligeable, le prix de revient de lnergie.5- La possibilit dun raccordement au rseau gnral de transport est tudie, car linstallation

dune nouvelle centrale pose le problme de lvacuation de lnergie. Elle peut rendre

ncessaire la cration de nouvelles lignes ou de nouveaux postes dinterconnexion si le

rseau est localement satur.

6- La centrale doit tre desservie par une voie ferre ou une voie navigable, et de prfrencepar les deux, ce pour assurer son alimentation en combustible avec le maximum de scurit

et le minimum de frais de transport.


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3- Organisation dune centrale thermique :

La figure 1 montre les parties principales dune centrale thermique identifies comme suit :

1. Immense chaudire construite en hauteur dans laquelle on brle le combustible. Lachaleur est absorbe par leau circulant dans une srie de tubes S1 qui entourent les

flammes. La circulation est force par la pompe P1.

2. Ballon, ou rservoir, contenant de leau et de la vapeur haute pression. Il constitue lafois le point de dpart de la vapeur vers les turbines et le rcepteur de leau dalimentation

de retour. La vapeur se dirige vers la turbine haute pression (HP) en passant par un

surchauffeur S2. ce dernier, form dune srie de tubes entourant le feu, provoque une

forte augmentation de la temprature de la vapeur (200C environ). Cela assure une

vapeur qui est absolument sche et donne un meilleur rendement thermique.

3. Turbine haute pression (HP) qui permet une premire expansion de la vapeur durantlaquelle une partie de lnergie thermique est convertie en nergie mcanique. La pression

et la temprature la sortie de la turbine HP sont donc plus basses qu lentre. Afin

daugmenter le rendement thermique et pour viter une condensation prmature de la

vapeur, on la fait passer par un rchauffeurS3 compos dune troisime srie de tubes.

4. Turbine moyenne pression (MP) semblable la turbine HP sauf quelle est plus grossepour permettre la vapeur de se dtendre davantage.

5. Turbine basse pression (BP) double carter qui enlve le reste de lnergie thermiquedisponible dans la vapeur, permettant cette dernire de se dtendre dans un vide presque

complet lintrieur du condenseur.

6. Condenseurqui provoque la condensation de la vapeur, grce la circulation deau froidevenant de lextrieur et circulant dans des tubes S4. Une pompe dextraction P2 enlve

leau tide condense et la pousse travers le rchauffeur (7) vers la pompe P3 alimentant

la chaudire.

7. Rchauffeur.

Dans cet changeur de chaleur, une partie de la vapeur qui est passe par laturbine HP rchauffe leau dalimentation, aprs quoi, la vapeur se condense aussi dans le

condenseur. Les analyses thermodynamiques prouvent que le rendement ainsi obtenu est

meilleur que si la vapeur drive dans le rchauffeur allait aux turbines MP et BP en

passant par le rchauffeur S3.

8. Pompe dalimentation P3 qui refoule leau dalimentation contre le forte pression rgnant lintrieur du ballon (2) et complte ainsi le cycle thermique.

9. Brleurs provoquant la combustion du gaz, du mazout ou du charbon pulvris projet lintrieur de la chaudire. Avant dtre projet dans la chaudire, le charbon est rduit en


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poudre. De la mme faon, lhuile lourde est prchauffe et souffle en jet vaporis afin

daugmenter sa surface de contact avec lair environnant.

10. Ventilateur soufflant lair requis pour la combustion.11. Ventilateuraspirant les gaz brls qui schappent par la chemine.

Figure 12 Elments d'une centrale thermique

Tours de refroidissement : si le centrale est situe dans une rgion aride ou loigne dun lac ou

dune rivire, on doit quand mme trouver un moyen pour refroidir le condenseur. On utilise alors

le phnomne dvaporation pour obtenir le refroidissement requis.

Comment peut-on provoquer lvaporation ? il suffit de prsenter une surface deau aussi

grande que possible lair environnant. La meilleure faon de le faire est de fractionner la massedeau en gouttelettes (au moyen dun arrosoir) et de souffler de lair travers la pluie ainsi cre.

Dans les centrales, lvaporation de leau est assure par dnormes tours de refroidissement.

Elles vaporent environ 2% de leau de refroidissement requise, si bien que cette perte doit tre

compense par une source souterraine, un ruisseau ou un petit lac.


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Figure 13 Groupe thermique classique

4- Diagramme nergtique dune centrale thermique :

Les centrales thermiques modernes se ressemblent beaucoup et la plupart fonctionnent une

temprature de 550C et une pression de 16.5MPa ; elles donnent un rendement global de lordre de

40%. Les quantits dnergie, les dbits de vapeur, etc., ne changent pas beaucoup, mme pour des

tempratures et des pressions diffrentes. Cela nous permis de tracer le schma de rpartition delnergie pour un modle rduit ayant une puissance calorifique de 30MW et un dbit lectrique de

12MW, soit un rendement global de 40% (figure 3).

Par exemple, une centrale de 480MW (40 fois plus puissante que notre modle) aurait les

caractristiques approximatives suivantes :

Puissance lectriques 480MW ;

Consommation de charbon 40kg/s ;

Consommation dair 400kg/s ;

Puissance de la chaudire 1200MW ;

Dbit de vapeur 320kg/s ;

Eau de refroidissement 14400kg/s ;

(avec T=10C) ou 14.4m3/s.

Si lon doit installer une tour de refroidissement, elle doit vaporer une quantit deau gale :

2% 14.4=0.288 m3/s


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Figure 14 Modle rduit d'une centrale thermique de 12MW


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Production dnergie lectrique Centrales nuclaires

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CENTRALES NUCLEAIRESLes centrales nuclaires produisent llectricit partir de la chaleur libre par une raction

nuclaire. Ce phnomne est provoqu par la division du noyau dun atome, procd quon appelle

fission nuclaire . Remarquons quune raction chimique telle que la combustion du charbon produit

un simple regroupement des atomes sans que leurs noyaux soient affects.

Une centrale nuclaire est identique une centrale thermique, sauf que la chaudire brlant le

combustible fossile est remplac par un racteur contenant le combustible nuclaire en fission. Une

telle centrale comprend donc une turbine vapeur, un alternateur, un condenseur, etc., comme dans

une centrale thermique conventionnelle. Le rendement global est semblable (entre 30 % et 40 %) et

lon doit encore prvoir un systme de refroidissement important, ce qui ncessite in emplacement

prs dun cours deau ou la construction dune tour de refroidissement. A cause de ces similitudes,

nous nous limiterons ltude du principe de fonctionnement et des caractristiques du racteur lui-

mme.

Figure 6 Centrale nuclaire

1- Composition du noyau atomique

Le noyau dun atome est compos de protons et de neutrons. Il existe des lments qui, tout

point de vue, sont identiques, sauf quils contiennent un ou quelques neutrons en surplus, par

rapport au nombre habituel. Le tableau 1 donne la composition atomique de quelques-uns de ces

lments, appels isotopes.


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On saperoit quil existe trois sortes datomes dhydrogne qui se distinguent par la

composition de leurs noyaux. Il y a dabord lhydrogne ordinaire dont le noyau contient 1 proton et

0 neutrons. Ensuite, il y a deux isotopes rares: le deutrium et le tritium dont les noyaux contiennent

respectivement 1 et 2 neutrons, en plus du proton habituel.

Lorsque deux atomes dhydrogne sunissent un atome doxygne, on obtient de leauordinaire (H2O), appele eau lgre. Dautre part. lorsque deux atomes de deutrium sunissent un

atome doxygne, On obtient une molcule deau lourde (2H2O). Leau de mer contient de leau

lourde dans une proportion de 1 kg deau lourde pour 7000 kg deau lgre.

Tableau 1 : composition atomique de quelques lments.

Elment symbole protons lectrons neutrons

Hydrogne H 1 1 0Deutrium 2H 1 1 1

Tritium 3H 1 1 2

Eau lgre H2O 10 10 8

Eau lourde 2H2O 10 10 10

Uranium 235 235U 92 92 143

Uranium 238 238U 92 92 146

De la mme faon, Il existe deux sortes datomes duranium, 238U et 235U, contenant chacun

92 protons (et 92 lectrons), mais un nombre diffrent de neutrons. Luranium 238 est trs rpandu

alors que luranium 235 est rare. En effet, les gisements naturels duranium (U3O8) contiennent 99,3

% datomes 238U comparativement 0,7 % de lisotope 235U.

Luranium 235 et leau lourde mritent notre attention, car ils sont tous deux essentiels au

fonctionnement de certains racteurs que nous dcrirons plus loin.

2- Energie libre par la fission atomique

Lorsque le noyau dun atome subit la fission, il pare en deux. La masse totale des deux atomes

ainsi forms est habituellement diffrente de celle de latome original. Sil y a une diminution de la

masse, une quantit dnergie est libre. Sa valeur est donne par la formule dEinstein:

E = m c2

O

E : nergie libre, en joules [J]

m : diminution de masse, en kilogrammes [kg]

c : vitesse de la lumire [3 108 m/s]


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La quantit dnergie libre est norme, car une diminution de 1 g seulement donne une

nergie de 9 1013 joules, soit lquivalent nergtique denviron trois mille tonnes de charbon.

Lors de la fission de latome duranium 235U, il se produit prcisment une lgre diminution

de masse. Par ailleurs, comme luranium 235 est fissile alors que luranium 238 ne lest pas, on aconstruit de grandes usines pour augmenter la proportion duranium 235 dans le combustible (fuel

enrichi) utilis dans certains racteurs.

3- Source de luranium

Luranium utilis dans les racteurs nuclaires trouve son origine dans les mines duranium. Le

minerai brut confie la substance U3O8 (3 atomes duranium, 8 atomes doxygne) contenant son

tour des atomes 238U et 235U dans le rapport de 1398 10. Pour usage dans un racteur nuclaire, on

doit transformer cette substance en dioxyde duranium (UO2). Celui-ci est compos de molcules238UO2 et

235UO2 encore dans le rapport de 1398 10. On lappelle dioxyde duranium naturel parce

que le rapport des molcules fissiles est le mme que celui du minerai original.

Certains racteurs sont conus pour utiliser un mlange enrichi o Le rapport de 238UO2 sur235UO2 est plutt de 1398 50 au lieu du rapport naturel de 1398 10. Au cours du processus

denrichissement, de grandes quantits de 238UO2 sont drives comme produit secondaire que lon

doit entreposer. Nous verrons que ce produit trouve une application dans les racteurs

surrgnrateurs. La figure 2 montre, de faon trs simplifie le procd denrichissement.

Figure 7 Le processus d'enrichissement

4- Raction en chane

Comment provoque-t-on la fission dun atome duranium? Une mthode consiste bombarder

son noyau avec des neutrons en mouvement. Le neutron est un excellent projectile car il ne subit

aucune force de rpulsion mesure quil sapproche du noyau et, si sa vitesse nest pas trop grande,


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les chances dune collision sont excellentes. Si limpact est suffisamment intense, le noyau se

scinde en deux et la diminution de masse qui en rsulte libre de lnergie. Ainsi, la fission dun

atome 235U dgage une nergie de 218 MeV, principalement sous forme de chaleur. La fission (qui

est une raction trs violente) saccompagne dun autre phnomne important: ljection, haute

vitesse, de 2 ou 3 neutrons. Ces neutrons, leur tour, peuvent entrer en collision avec dautresnoyaux voisins, de sorte quil produit une raction en chane pouvant provoquer un norme

dgagement de chaleur.

Cest daprs ce principe quexplosent les bombes atomiques. Il suffit dune sphre de UO2

type 235U ne pesant que 300g (masse critique) pour produire une raction en chane explosive. Bien

que les gisements naturels de UO2 (type238U) librent aussi des neutrons occasionnels, leur vitesse

est trop leve pour amorcer une raction en chane, et la concentration de la matire fissile est trop

faible.Dans un racteur nuclaire, on doit ralentir les neutrons afin daugmenter leurs chances de

frapper les noyaux duranium. cette fin, on rpartit les masses doxyde duranium lintrieur

dun modrateur. Le modrateur peut tre de leau ordinaire, de leau lourde, du graphite, ou toute

autre substance ayant la proprit de ralentir les neutrons sans pour autant les absorber. En

choisissant une distribution et une gomtrie appropries, on russit freiner ces neutrons de faon

ce quils aient la vitesse requise pour produire dautres fissions. Cest alors que la raction en

chane samorce: on dit que le racteur a atteint le seuil critique.

Ds que la raction en chane est amorce, la temprature de luranium monte en flche et, afin

de la maintenir une valeur acceptable, on doit faire circuler un liquide ou un gaz travers le

racteur pour en extraire la chaleur. Ce caloporteur peut tre de leau lourde, de leau ordinaire, du

sodium liquide (Na) ou un gaz comme lhlium ou le gaz carbonique. La chaleur est alors

transporte un changeur de chaleur qui transfre lnergie thermique une chaudire vapeur

alimentant les turbines.

La Figure 3 montre les parties principales dune centrale nuclaire.


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Figure 8 Parties principales d'une centrale nuclaire

5-Types de racteurs

Il existe plusieurs types de racteurs; en voici les principaux:

1. Racteur eau pressurise. (Pressure Water Reactor). Dans ces racteurs, le caloporteur

est de leau garde haute pression afin de lempcher de bouillir. On peut utiliser soit de leau

ordinaire, Comme dans les racteurs eau lgre, soit de leau lourde . . . :

2. Racteur eau bouillante. (Boiling Water Reactor). Dans ces racteurs, le caloporteur estde leau ordinaire en bullition. On limine ainsi lchangeur de chaleur: la vapeur cre fait tourner

directement les turbines. Cependant, comme dans tout racteur eau lgre, on doit utiliser de

loxyde duranium enrichi ayant une concentration denviron 3 % en 235U.

3. Racteur gaz haute temprature. (High Temperature Gas Reactor). Dans ces

racteurs, on utilise un gaz inerte, tel que lhlium, comme caloporteur. Comme la temprature est

trs leve (750 C), on utilise le graphite comme modrateur. La vapeur cre dans lchangeur de

chaleur est aussi chaude que celle provenant dune centrale thermique conventionnelle de sorte

quon atteint, avec ces racteurs, des rendements globaux de lordre de 40 %.

4. Racteur surrgnrateur. (Fast Breeder Reactor). Dans ces racteurs, on limine le

modrateur, ce qui permet aux neutrons de bombarder haute vitesse un combustible tel que le

dioxyde duranium 238UO2. Il se produit alors un dgagement de chaleur et, de plus, une

transformation de luranium.

Luranium transform peut son tour agir comme combustible. Ce genre de racteur est donc

trs intressant, car les racteurs traditionnels ne rcuprent que 2 % de lnergie disponible dans le

dioxyde duranium.


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Figure 9 Racteur nuclaire

6- Principe du racteur surrgnrateur

Le racteur surrgnrateur diffre des autres racteurs parce quil peut extraire davantage

dnergie du combustible nuclaire. Il est compos dun noyau central contenant du plutonium

fissile 239 (239Pu). Ce noyau est entour dune enveloppe de substances contenant de luranium non

fissile 238 (

238

U). Il ny a pas de modrateur; par consquent, les neutrons haute vitesse gnrspar le 239Pu dans le noyau viennent bombarder les atomes duranium 238U. Cela produit deux effets

importants:

a) La chaleur intense dgage par le noyau sert crer de la vapeur pour entraner une turbine

vapeur

b) Dans lenveloppe, quelques-uns des atomes de 238U captent les neutrons jects du noyau,

ce qui transforme ces atomes en plutonium fissile 239Pu. En dautres mots, les atomes passifs

duranium 238 sont transforms en atomes fissiles de plutonium 239

Il en rsulte que lenveloppe de 238U non fissile est graduellement transforme en 239Pu fissile

et en dchets. Les matriaux de lenveloppe sont enlevs priodiquement, et raffins dans des usines

spciales pour recouvrer les substances contenant le 239Pu, Ce fuel nuclaire est alors plac dans le

noyau central du racteur pour gnrer de la chaleur et pour crer encore dautre combustible dans

une enveloppe renouvele, contenant de luranium 238.

Il est possible de rpter ce procd jusqu ce quenviron 80 % de lnergie contenue dans

luranium soit uti1isee. Cela reprsente une grande amlioration sur les racteurs conventionnels

qui russissent extraire seulement 2% de lnergie disponible.


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Le racteur surrgnrateur est bien adapt comme complment aux racteurs eau lgre. En

effet, de grandes quantits de 238U sont obtenues lors du procd denrichissement. Ce matriau

improductif (prsentement stock en lieu sr) peut alors tre utilis dans lenveloppe dun racteur

surrgnrateur. En captant les neutrons rapides, ce matriau est transform comme on la vu

prcdemment, jusqu puisement quasi total de lnergie atomique quil contient.Notons que les racteurs surrgnrateurs utilisent le sodium liquide comme caloporteur.

7- Raction nuclaire par fusion

Tout comme la fission dun noyau lourd provoque une diminution de masse, la fusion de deux

noyaux lgers pour former un seul noyau occasionne une diminution semblable. Ainsi, une grande

quantit dnergie est libre lorsquun atome de deutrium 2H fusionne avec un atome de tritium3H. Cependant, cause de la forte rpulsion lectrique qui sexerce entre ces deux noyaux (de

mme polarit), on russit provoquer leur fusion seulement lorsquils sapprochent des vitesses

normes, correspondant une temprature de plusieurs millions de degrs. Si la concentration

datomes est suffisante et si leur vitesse est assez leve, il se produit une raction en chane.

Mentionnons, en passant, que le soleil produit son nergie par un processus semblable.

On russit ainsi produire des explosions et cest sur ce principe que repose la bombe

hydrogne (bombe H). Cependant, on se heurte de grandes difficults pour contrler cette raction

de fusion et lexploiter dans un racteur nuclaire commercial. En effet, il na pas encore russi

cerner des particules qui se dplacent vitesses effarantes sans, en mme temps, leur faire perdre

leur nergie. Des recherches intensives poursuivent pour rsoudre ce problme, car si lon russit

domestiquer la fusion nuclaire, ce pourrait bien tre la fin des problmes de sources dnergie.

Lhydrogne est en effet la matire premire la plus rpandue sur terre.

production d-'énergie électrique

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