I) L'énergie nucléaire et le fonctionnement de la centrale de Tchernobyl

Cette première partie nous renseignera sur ce qu'est l'énergie nucléaire puis nous informera sur la centrale nucléaire de Tchernobyl ainsi que son fonctionnement. Enfin, nous étudierons la catastrophe: ce qu'il s'est passé, les défauts de conception de la centrale... 

A) L'énergie nucléaire

L'énergie nucléaire est une énergie qui se trouve à l'intérieur du noyau d'un atome. Il existe deux principaux moyens de produire de l'énergie nucléaire : la fission et la fusion.                                                                                                           Tout d'abord, l'énergie peut être obtenue suite à une fusion : c'est-à-dire un processus par lequel des petits noyaux instables fusionnent en un plus gros stable tout en libérant de l'énergie. La fission est le second moyen de production de cette énergie. C'est un processus par lequel un atome ayant un noyau lourd (qui devient instable) se divise, se casse en plusieurs fragments suite à l'impact d'un neutron tout en dégageant une forte quantité d'énergie.

Sur le schéma ci-dessus, on peut voir par exemple que le Béryllium ou encore le Lithium sont des atomes qui vont fusionnés et que l'Uranium ou le Plomb vont fissionnés afin de devenir des atomes stables.

Ici, les réacteurs de Tchernobyl utilisent la fission avec l'Uranium 235 afin de produire de l'énergie. Nous allons étudié comment la fission fonctionne.

La fission se réalise en différentes étapes :                                                                                                                           Tout d'abord, la fission ne peut se produire que sur des atomes dit « fissiles » : c'est-à-dire sur un atome dont le noyau peut subir une fission provoquée par l'absorption d'un neutron lent. Les atomes fissiles les plus connus sont l'uranium 235 et le plutonium 239. On favorise l'uranium 235, plus fissile que l'uranium 238 car c'est un atome isotope. Deux atomes sont isotopes s'ils ont le même numéro atomique mais des nombres de nucléons différents.

A=nombre de nucléons (protons et neutrons), X= élément chimique, Z=numéro atomique.                                       Exemple : l'uranium est un élément chimique de numéro atomique Z=92. Ses deux principaux isotopes sont l'uranium 235 et l'uranium 238. Ainsi on privilégie l'uranium 235 car c'est un atome isotope fissile donc un meilleur combustible.

Lors d'une fission, un projectile (un neutron) est envoyé vers le noyau d'un atome fissile. En effet, grâce à sa neutralité électrique, le neutron peu s'approcher du noyau électriquement positif, sans être repoussé par des forces électriques. Le neutron peut alors pénétrer ce noyau et le briser en plusieurs morceaux.

Suite à cette collision entre l'atome et le neutron, il y a un relâchement d'autres neutrons supplémentaires qui se produit. Ces neutrons peuvent à leur tour désintégrer d'autres atomes d'uranium, qui a leur tour vont libérer encore plus de neutrons ; on peut ainsi appeler ce phénomène « la réaction en chaîne » .Cette réaction est une réaction continue grâce à des neutrons formés dans la réaction. Celle-ci peut donc continuer indéfiniment sans aucune intervention extérieure.

Cette réaction en chaîne peut être contrôlée ou non. Les réactions contrôlées sont les réactions nucléaires produites dans les centrales dont le but est de produire de l'énergie nucléaire constamment. Quant aux réactions non contrôlées, elles se produisent dans le cas des armes nucléaires.                                                                                                                La fission nucléaire contrôlée est importante dans une centrale. Pour maintenir un contrôle autonome de la réaction nucléaire, pour chaque 2 ou 3 neutrons libérés, il n'est permis qu'à un seul neutron de donner à un autre noyau d'uranium. Si cette proportion est inférieure à un, la réaction meurt mais si au contraire elle est plus grande alors la réaction va grandir sans être contrôlée ce qui va engendrer une explosion atomique. Afin de contrôler la quantité de neutrons libres dans l'espace, il faut un élément d'absorption de neutrons (barre de contrôle).

Nous pouvons remarquer que lors de la fission, il n'y a aucune conservation des éléments chimiques, c'est ce qui distingue une réaction nucléaire d'une réaction chimique.

Ainsi, la réaction de fission d'un noyau provoque un important dégagement d'énergie qui permet de faire fonctionner une centrale nucléaire.

B) Le fonctionnement d'une centrale de type RBMK

Tout d'abord, les centrales nucléaires sont des usines de production d'électricité mais contrairement aux centrales électriques, elles utilisent la réaction de la fission comme énergie.

Un réacteur nucléaire est un dispositif permettant la libération et le contrôle de la réaction de fission. Il existe différents modèles de réacteur nucléaire ainsi la centrale de Tchernobyl disposait de réacteur de type RBMK.

La centrale de Tchernobyl, située au nord de l'Ukraine, était composée de six réacteurs nucléaires de type RMBK 1000. Les initiales RBMK signifie en russe « réacteur bouillant à grande puissance ». Ce type de réacteur, typiquement soviétique, permet de produire de l'électricité à partir de l'énergie nucléaire. Les réacteurs 1 et 2 de la centrale ont été construits en 1971 et mis en service en 1977 et 1978, les réacteurs 3 et 4 en 1975 (leur exploitation a commencé en 1981 et 1983). La construction de deux autres réacteurs (réacteurs 5 et 6) a été interrompue par la catastrophe en 1986.

Même s'il existe des centrales nucléaires avec différents types de réacteurs, elles se caractérisent par 3 éléments principaux: le combustible (uranium naturel, uranium enrichi, plutonium...), le modérateur (eau ordinaire,graphite...) et le caloporteur : c'est-à-dire le fluide transportant ou évacuant de la chaleur produite par le combustible donc de l'eau ordinaire sous pression ou bouillante, du gaz carbonique, sodium...

Ainsi le réacteur RBMK utilise l'uranium 235 "enrichi" (sa concentration varie entre 0,9 et 2%) comme combustible, le carbone (graphite) comme modérateur et de l'eau bouillante comme caloporteur.

Il existe 3 circuits qui permettent le fonctionnement d'une centrale: 

 Le circuit primaire (extraction de la chaleur) en rouge sur le schéma ci-dessus : Le combustible, c'est-à-dire l'uranium 235, est contenu dans les tubes de force : ce sont des barres métalliques étanches réunies en assemblages. Elles permettent de controler la chaleur. Ces tubes sont situés dans une grande cuve en acier remplie d'eau et forment le cœur du réacteur: c'est là où se produit la réaction en chaîne qui chauffe les tubes à haute température. Par la suite, l'eau de la cuve s'échauffe à son tour (plus de 300 degrés). Cette eau est maintenue sous pression, ce qui l'empêche de bouillir, et circule dans le circuit primaire.

Le circuit secondaire (pour la production de vapeur) en vert sur le schéma ci-dessus : L'eau du circuit primaire « transmet » sa chaleur à l'eau circulant dans le circuit secondaire. Cet échange de chaleur s'effectue par l'intermédiaire d'un générateur de vapeur. En effet, au contact des tubes parcourus par l'eau du circuit primaire, l'eau du circuit secondaire s'échauffe à son tour et se transforme en vapeur. Cette vapeur fait tourner une turbine entraînant l'alternateur qui produit de l'électricité. Après son passage dans la turbine, la vapeur est refroidie, retransformée en eau et renvoyée vers le générateur de vapeur pour un nouveau cycle.

Le circuit de refroidissement (pour la condensation de la vapeur et l'évacuation de la chaleur) en bleu sur le schéma ci-dessus: La centrale a besoin d'un circuit de refroidissement, indépendant des 2 premiers, pour son bon fonctionnement. Sa fonction est de condenser (faire passer un élément d'un état gazeux à un état liquide) la vapeur sortant de la turbine. Pour cela, est aménagé un condensateur c'est-à-dire un appareil formé de milliers de tubes dans lesquels circule de l'eau froide prélevée à une source extérieure : fleuve, rivière, mer. Au contact de ces tubes, la vapeur se condense pour se transformer en eau. Si le débit de la rivière est trop faible, ou si l'on veut limiter son échauffement, on utilise des tours de refroidissement ou aéroréfrigérants (dispositif permettant de transférer de l'énergie thermique du fluide interne vers l'air extérieur). L'eau échauffée provenant du condenseur, répartie à la base de la tour, est refroidie par le courant d'air qui monte dans la tour le long des parois internes. L'eau peut ainsi perdre 10 degré. Ainsi les 2/3 de cette eau retournent vers le condenseur et 1/3 s'évaporent dans l'atmosphère, ce qui provoque ces panaches blancs caractéristiques des centrales nucléaires.

Voici un petit schéma qui résume le fonctionnement de la centrale.

Ainsi dans une centrale nucléaire, il peut y avoir des disfonctionnements qui peuvent avoir de lourdes conséquences.

C) La Catastrophe de Tchernobyl

D'abord, la centrale a un "coefficient de température très positif". Cela signifie que plus le réacteur chauffait, plus il produisait de vapeur et plus la réactivité augmentait, le système était divergent. De ce fait le réacteur devient de plus en plus instable et rend difficile le contrôle du réacteur... Ensuite, il y a un système d'arrêt d'urgence lent et peu fiable. Le système d'arrêt est sans doute le plus important des systèmes de sûreté d'un réacteur nucléaire. Il est constitué de barres fortement absorbantes de neutrons, réparties dans tout le cœur du réacteur (barre de contrôle). Cela permet à ces barres d'étouffer rapidement la réaction en chaîne lors de leur insertion dans le cœur, et d'arrêter ainsi le réacteur. Le système d'arrêt d'urgence des RBMK présentait des defaillances : un temps d'insertion des barres trop long ; une mauvaise conception des crayons absorbants, et une fiabilité insuffisante du système dans son ensemble. Enfin, les RBMK ne disposent pas d'enceinte de confinement. En revanche, les RBMK disposent de plusieurs compartiments étanches, destinés à assurer le confinement de différentes zones du réacteur. A l'époque de Tchernobyl, ce système avait été conçu pour faire face à la rupture d'un tube de force. Les ruptures multiples de tubes de force n'étaient donc pas couvertes par cette conception.

Voici le déroulement de la catastrophe.

Dans la nuit du 25 au 26 avril 1986, les techniciens de la centrale commencent un test sur le réacteur 4 afin de vérifier que l'alimentation électrique de secours permettrait de faire fonctionner la centrale en cas de panne d'électricité. Pour garantir le bon déroulement du test, les opérateurs désactivent l'alarme du système de refroidissement du réacteur. Mais comme le réacteur est mal conçu et naturellement instable, plusieurs erreurs vont être faites. Vers minuit, une première erreur est commise, les barres de contrôles sont enfoncées trop profondément ce qui conduit à une forte baisse de puissance. Mais il y a un problème, elle continue à baisser. On fait alors remonter les barres de contrôles mais elles sont remontées au delà des limites de sécurité ce qui augmente la pression dans le circuit primaire. Par conséquent, pour pallier à cette augmentation, on met en marche les pompes du circuit de refroidissement afin de garantir l'approvisionnement en eau des pompes. Vers 1 heure, un nouveau problème survient: le débit qui transite vers le réacteur diminue jusqu'à provoquer l'apparition de bulles d'air dans le circuit de refroidissement et le réacteur connaît une brusque montée en puissance. Ainsi, l'arrêt d'urgence est ordonné. Mais celui-ci est très long et pendant ce temps, une réaction chimique se produit: l'hydrogène et l'oxygène se mélangent et créent une série de petites détonations qui abiment le réacteur et éjectent ainsi les barres de contrôles. En quelques secondes, la puissance du réacteur est multipliée par cent et provoque une violente explosion projetant en l'air 1 200 tonnes de béton le recouvrant. Un jet d'éléments radioactifs, des tonnes d'uranium et de graphite sont explosés à plus de 100m à la ronde et une colonne de feu, de gaz et de particules s'élèvent alors au dessus de la centrale. Les débris retombent sur le coeur du réacteur et le fracturent. Un important incendie se déclare dans le batiment abritant le réacteur. Ainsi le 26 avril 1986 à 1h 23 du matin, la plus importante des catastrophes nucléaires jamais connue venait de se produire.