Comment fonctionne l’énergie nucléaire?
Centrale nucléaire de Pickering, Ontario (bukharova, iStockphoto)
Centrale nucléaire de Pickering, Ontario (bukharova, iStockphoto)
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Découvrez comment l'électricité est générée dans une centrale nucléaire.
L’énergie nucléaire fournit environ 15 % de l’électricité du Canada. En 2023, le Canada comptait 19 réacteurs nucléaires, l’Ontario 18 et un au Nouveau-Brunswick.
Mais comment produit-on de l’électricité avec l’énergie nucléaire? C’est ce que nous apprendrons ici.
Les gens utilisent souvent l’énergie thermique pour produire de l’électricité. L’énergie thermique est aussi connue sous les noms d’« énergie calorifique » et de « thermoénergie ». L’énergie thermique réchauffe de l’eau. L’eau réchauffée émet de la vapeur. Cette vapeur alimente un générateur électrique. Dans de nombreux endroits, y compris le Canada, les gens brûlent des combustibles fossiles pour produire cette chaleur. Voici quelques exemples de combustibles fossiles :
- charbon
- huile (petrole)
- gaz naturel
Les réacteurs nucléaires utilisent aussi la chaleur pour produire de l’électricité. Mais les centrales nucléaires ne brûlent pas de combustibles fossiles, elles utilisent plutôt de l’uranium comme carburant. L’uranium est un élément chimique qui dégage de l’énergie naturellement. Une grande partie de l’uranium au Canada provient du bassin d’Athabasca, une région du nord de la Saskatchewan.
Dans les réacteurs nucléaires, les atomes d’uranium sont scindés par un processus appelé fission. Quand plusieurs atomes sont scindés en même temps, une grande quantité d’énergie est émise. Cette énergie est libérée sous forme de chaleur. L’énergie thermique réchauffe l’eau lourde dans un circuit fermé de tuyaux. L’eau lourde représente l’eau avec deux isotopes d’hydrogène appelés deutérium (D2O) au lieu d’atomes d’hydrogène réguliers (H2O).
L’eau lourde réchauffe l’eau normale dans un deuxième circuit fermé de tuyaux. Cette eau bouillie forme de la vapeur. La vapeur s’échappe dans une turbine. La turbine est connectée à un arbre qui tourne. Cet arbre traverse la turbine jusque dans un générateur. Le générateur transforme l’énergie mécanique de l’arbre en électricité.
Un troisième système de tuyaux contient de l’eau fraîche. Celle-ci est pompée à partir d’une masse d’eau à proximité, comme un lac. L’énergie thermique provenant de la vapeur est transférée à cette eau. Ce qui condense la vapeur et la retransforme en eau. Cela réchauffe aussi l’eau froide provenant de l’extérieur. L’eau réchauffée est ensuite libérée dans une masse d’eau à proximité et l’eau dans le circuit fermé de tuyaux est retournée pour être bouillie à nouveau.
Image - Version texte
Illustration couleur d’un diagramme montrant comment le combustible, l’eau et la vapeur se déplacent dans un réacteur nucléaire.
Le diagramme est divisé en deux salles, côte à côte.
Dans la salle de gauche, une structure carrée rose est étiquetée « Combustible (uranium) ». Quatre tuyaux étroits de couleur dorée traversent cette structure et mènent jusqu’au milieu d’une structure arrondie étiquetée « Chaudière ». À gauche de la chaudière se trouve une flèche brune pointant vers les tuyaux à côté de l’étiquette « Système d’eau lourde (circuit fermé) ». La chaudière contient un liquide bleu dans le bas et un liquide rouge dans le haut. La couleur bleue représente l’eau plus froide et la couleur rouge, l’eau plus chaude. Un tuyau sort de la partie supérieure droite de la chaudière. Ce tuyau est de couleur rouge et est étiqueté « Vapeur ». Un deuxième tuyau entre dans la partie inférieure droite de la chaudière. Ce tuyau est de couleur bleue et est étiqueté « Eau fraîche ». À droite de la chaudière se trouve une flèche rouge pointant vers la chaudière à côté de l’étiquette « Système d’eau réchauffée (circuit fermé) ». Un tuyau transporte la vapeur du haut de la chaudière à travers le mur jusque dans l’autre salle, dans le haut d’une structure étiquetée « Turbine ». Celle-ci contient des lames attachées à une longue tige noire. Des flèches vertes indiquent que celles-ci tournent. La longue tige noire mène à une autre structure rectangulaire étiquetée « Génératrice ». Une ligne noire partant de la génératrice mène jusqu’à l’extérieur de la salle. Elle est étiquetée « Électricité ». Un tuyau séparé transporte l’eau froide vers la turbine. Ce tuyau part de l’extérieur du bâtiment. Il est rempli d’un liquide bleu foncé étiqueté « Eau fraîche ». Ce tuyau traverse la partie inférieure de la turbine et retourne vers l’extérieur du bâtiment. Durant son trajet vers la sortie, le liquide est de couleur mauve et est étiqueté « Eau réchauffée ». Cette partie du diagramme est contenue dans une boîte au-dessus de laquelle se trouve l’étiquette « Système d’eau de refroidissement (circuit ouvert) ». Un tuyau, dans le bas de la chaudière, fait revenir l’eau lourde refroidie vers la structure rose étiquetée « Combustible (uranium) ».
Le combustible à l’uranium est radioactif. C’est pour cette raison qu’il peut générer de l’électricité. Mais au fur et à mesure qu’il est utilisé dans un réacteur, le combustible contient de moins en moins d’énergie. Avec le temps, il n’y a plus assez d’énergie pour continuer à produire des réactions de fission. Quand cela se produit, le combustible est considéré comme étant « épuisé ». Toutefois, ce combustible est radioactif.
Les réacteurs nucléaires ont comme avantage de ne pas produire de dioxyde de carbone lorsqu’ils fonctionnent.
Un de leurs désavantages est qu’ils produisent du combustible épuisé radioactif. Ce combustible peut être dangereux pour les humains pendant des milliers d’années, il doit donc être entreposé prudemment. Le Canada entrepose les combustibles épuisés dans des bassins d’eau avec des murs et fonds en béton d’une épaisseur d’environ deux mètres. Sept à dix ans plus tard, le combustible est suffisamment sécuritaire pour être transféré dans des contenants d’entreposage faits de béton et d’acier.
Un autre désavantage est que l’exploitation minière d’uranium et la construction de réacteurs nucléaires et d’installations d’entreposage de déchets nucléaires sont toutes des activités qui produisent du dioxyde de carbone.
Dans l’ensemble, les réacteurs nucléaires sont responsables d’une petite quantité de gaz à effet de serre au cours de leur durée de vie.
Amorces de discussion
- Y a-t-il une centrale nucléaire près de chez vous? Quel est le nom de cette centrale?
- Savez-vous quelle source d'énergie alimente votre maison? Y a-t-il des appareils électroménagers, des lumières ou des appareils dans votre maison qui utilisent une autre source d'énergie
- Comment l'énergie nucléaire impacte-t-elle l'environnement différemment de l'énergie provenant de combustibles fossiles?
- Quels facteurs pourraient influencer ou déterminer la source d'énergie utilisée dans votre communauté?
- Qu'est-ce qu'une centrale nucléaire?
- Quel est la fonction des pastilles d'uranium dans un réacteur nucléaire?
- Quelle forme d'énergie est produite à la suite de la fission nucléaire? Comment cette énergie devient-elle de l'énergie électrique?
- Comment la vapeur est-elle utilisée dans une centrale nucléaire? Comment la vapeur est-elle recyclée?
- Quels déchets sont générés par la production d’énergie nucléaire? Qu'advient-il de ces déchets?
- Pensez-vous qu'il soit nécessaire de disposer de différentes sources d'énergie pour produire de l'électricité? Pourquoi ou pourquoi pas?
- Avez-vous vu des publicités spécifiquement sur le nucléaire? Sur quoi se concentrent ces publicités? Comment mettriez-vous en avant l'énergie nucléaire?
- Cette vidéo et cet article peuvent être utilisés comme support à l'enseignement et l'apprentissage de la physique, de la technologie et de l'ingénierie, de l'énergie nucléaire et de l'électricité en relation avec le transfert de chaleur et la production d'électricité. Les concepts présentés comprennent les centrales nucléaires, électricité, énergie thermique, uranium, élément, fission, vapeur, turbines, arbre et générateur.
- Avant de visionner la vidéo et de lire l'article, les enseignants peuvent fournir aux étudiants un aperçu du vocabulaire afin de les aider à utiliser leurs connaissances et à introduire une nouvelle terminologie. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie sont disponibles en formats [Document Google] et [PDF].
- Pendant le visionnage de vidéos, les enseignants peuvent demander aux élèves d’utiliser la stratégie d’apprentissage Ligne d’importance pour les aider à noter et à organiser les points clés de la vidéo. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi pour cette vidéo sont disponibles aux formats [Document Google] et [PDF].
- Pour aider les élèves à consolider leurs apprentissages, les enseignants peuvent leur demander de créer un organisateur graphique décrivant les étapes fondamentales de la production d'électricité dans une centrale nucléaire, en commençant par l'énergie thermique produite par la fission nucléaire.
Faire des liens
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- Savez-vous quelle source d'énergie alimente votre maison? Y a-t-il des appareils électroménagers, des lumières ou des appareils dans votre maison qui utilisent une autre source d'énergie
Relier la science et la technologie à la société et à l'environnement
- Comment l'énergie nucléaire impacte-t-elle l'environnement différemment de l'énergie provenant de combustibles fossiles?
- Quels facteurs pourraient influencer ou déterminer la source d'énergie utilisée dans votre communauté?
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- Qu'est-ce qu'une centrale nucléaire?
- Quel est la fonction des pastilles d'uranium dans un réacteur nucléaire?
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Littératie médiatique
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Suggestions pour l'enseignement
- Cette vidéo et cet article peuvent être utilisés comme support à l'enseignement et l'apprentissage de la physique, de la technologie et de l'ingénierie, de l'énergie nucléaire et de l'électricité en relation avec le transfert de chaleur et la production d'électricité. Les concepts présentés comprennent les centrales nucléaires, électricité, énergie thermique, uranium, élément, fission, vapeur, turbines, arbre et générateur.
- Avant de visionner la vidéo et de lire l'article, les enseignants peuvent fournir aux étudiants un aperçu du vocabulaire afin de les aider à utiliser leurs connaissances et à introduire une nouvelle terminologie. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie sont disponibles en formats [Document Google] et [PDF].
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Brève explication de EDF (Électricité de France) avec trois vidéos
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Ces deux vidéos présentent des arguments pour et contre l'utilisation de l'énergie nucléaire pour la production d'électricité dans cet article Parlons sciences.
Qu'est-ce que le rayonnement? (2014)
Cette vidéo (4 min 59 s) par la Commission canadienne de sûreté nucléaire explique les fondements du rayonnement en termes simples : qu'est-ce que c'est, les différents types de rayonnement, les radio-isotopes et la désintégration radioactive.
Références
Commission canadienne de sûreté nucléaire. (2018). Systèmes de sûreté des centrales nucléaires.
Chandler, N. (2012, aout 29). How does nuclear waste disposal work? HowStuffWorks.
Whitlock, J. (2019, avril 6). Canadian nuclear FAQ. Nuclear FAQ.