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Activité 19 – Le fonctionnement d'une centrale nucléaire TP NUMÉRIQUE

Chapitre 1 – Évaluer la puissance consommée | Terminale Bac Pro ICCER (Grpt 1) | Physique – Chimie | ⏱ 35 min

Dernière mise à jour : 21 octobre 2026, 01:05

Objectifs :

🤔 Avant de commencer

À ton avis, l'eau qui passe dans le réacteur nucléaire est-elle la même que celle qui fait tourner la turbine, puis que celle qui est rejetée à la mer ?

Non ! Ce sont trois circuits d'eau totalement séparés, qui échangent seulement de la chaleur à travers des parois métalliques. L'eau qui a été au contact du cœur ne sort jamais du bâtiment réacteur : c'est une barrière de sûreté essentielle. Tu vas le vérifier dans la simulation.

Situation – Yanis, technicien de maintenance à la centrale de Penly

Yanis est technicien de maintenance à la centrale nucléaire de Penly, au bord de la Manche, à une dizaine de kilomètres de Dieppe. Aujourd'hui, il accueille un groupe de stagiaires : il doit leur expliquer le trajet de l'énergie, du cœur du réacteur jusqu'au réseau électrique, et leur montrer pourquoi la centrale pompe autant d'eau de mer.

Document — données de la centrale de Penly

Cœur du réacteur fission → chaleur Générateur de vapeur eau → vapeur Turbine rotation Alternateur électricité Réseau 400 kV circuit 1 circuit 2 Condenseur vapeur → eau liquide Eau de mer (la Manche) circuit 3 : pompage / rejet

📖 Vocabulaire

Circuit primaire
Eau maintenue liquide sous très haute pression (155 bar), qui transporte la chaleur du cœur vers le générateur de vapeur. Elle ne quitte jamais le bâtiment réacteur.
Générateur de vapeur
Grand échangeur de chaleur : l'eau chaude du circuit primaire y fait bouillir l'eau du circuit secondaire, sans contact direct entre les deux.
Condenseur
Échangeur où la vapeur sortie de la turbine redevient liquide, refroidie par l'eau de mer.
Alternateur
Machine tournante qui convertit l'énergie mécanique de la turbine en énergie électrique.
Rendement (η)
Part de la puissance thermique réellement convertie en électricité : \(\eta = P_{élec} / P_{th}\).
Problématique : Comment la centrale de Penly transforme-t-elle la chaleur de la fission en électricité, et où part la chaleur qui n'est pas convertie ?

Question 1 APP

Ouvre la simulation et laisse-la tourner à pleine puissance. Repère les trois circuits d'eau (couleurs de la légende). Pour chacun, indique où il circule et son rôle.

Circuit primaire (rouge) : entre le cœur et le générateur de vapeur, dans le bâtiment réacteur — il transporte la chaleur de la fission. Circuit secondaire (gris/bleu) : générateur de vapeur → turbine → condenseur → retour — sa vapeur fait tourner la turbine. Circuit de refroidissement (bleu) : eau de mer pompée dans la Manche, qui refroidit le condenseur puis retourne à la mer.

Question 2 APP

Pourquoi ces trois circuits sont-ils séparés (l'eau ne se mélange jamais) ? Que se passerait-il sinon ?

C'est une barrière de sûreté : l'eau du circuit primaire, qui a été au contact du cœur, est légèrement radioactive. En la gardant dans un circuit fermé, ni la vapeur de la turbine ni l'eau rejetée à la mer ne sont au contact de la radioactivité. Seule la chaleur passe d'un circuit à l'autre, à travers les parois des échangeurs.

Question 3 ANA

Enfonce progressivement les barres de contrôle jusqu'à 100 %. Décris ce qui se passe dans la simulation (cœur, turbine, ligne électrique). À quoi servent donc les barres de contrôle ?

La lueur du cœur s'éteint, la vapeur cesse de circuler, la turbine s'arrête et la puissance envoyée au réseau tombe à 0 MW. Les barres absorbent les neutrons : plus elles sont enfoncées, plus la réaction en chaîne ralentit. Elles servent à régler la puissance du réacteur, et à l'arrêter complètement si besoin (arrêt automatique de sûreté).

Question 4 REA

Remets les barres à 0 % (pleine puissance) et sélectionne 1 réacteur. Relève \(P_{th}\) et \(P_{élec}\). Vérifie par le calcul que \(P_{élec} = \eta \times P_{th}\) avec \(\eta = 0{,}35\).

\(P_{th} = 3\,800\) MW et \(P_{élec} = 0{,}35 \times 3\,800 = 1\,330\) MW : c'est bien la valeur affichée, et la puissance réelle d'un réacteur de Penly.

Question 5 REA

Calcule la puissance rejetée vers la mer par un réacteur à pleine puissance : \(P_{rejetée} = P_{th} - P_{élec}\). Que représente-t-elle par rapport à \(P_{th}\) (en %) ?

\(P_{rejetée} = 3\,800 - 1\,330 = 2\,470\) MW, soit \(2\,470 / 3\,800 = 0{,}65 = 65\,\%\) de la puissance thermique. Presque les deux tiers de la chaleur produite partent vers la mer : c'est la limite de toute machine thermique.

Question 6 ANA

À l'aide du synoptique ci-dessus, complète la chaîne énergétique en associant chaque conversion à un élément de la centrale :
énergie nucléaire → énergie thermique → énergie mécanique → énergie électrique.

Énergie nucléaire → thermique : la fission dans le cœur chauffe l'eau. Énergie thermique → mécanique : la vapeur produite au générateur de vapeur fait tourner la turbine. Énergie mécanique → électrique : l'alternateur, entraîné par la turbine, produit l'électricité envoyée au réseau.

Question 7 REA

Avec un débit d'eau de mer \(Q = 70\) m³/s (soit 70 000 kg/s), calcule l'échauffement de l'eau rejetée : \(\Delta T = \dfrac{P_{rejetée}}{m_{par\ seconde} \times c}\) avec \(P_{rejetée} = 2\,470\) MW \(= 2{,}47\times10^{9}\) W. Compare avec la valeur affichée par la simulation.

\(\Delta T = \dfrac{2{,}47\times10^{9}}{70\,000 \times 4\,180} = \dfrac{2{,}47\times10^{9}}{2{,}93\times10^{8}} \approx 8{,}4\) °C. C'est bien la valeur affichée : l'eau de mer ressort environ 8 °C plus chaude qu'elle n'est entrée.

Question 8 VAL

Dans la simulation, baisse le débit à 30 m³/s. Que devient l'échauffement ΔT ? Pourquoi la centrale doit-elle surveiller cette valeur, et que peut-elle faire pour la réduire ?

À 30 m³/s, \(\Delta T \approx 19{,}7\) °C : la simulation signale un échauffement trop élevé. Un rejet trop chaud perturbe le milieu marin (faune, flore) ; l'échauffement autorisé est réglementé. Pour le réduire, la centrale peut augmenter le débit de pompage (la même chaleur est diluée dans plus d'eau) ou baisser la puissance du réacteur.

Question 9 COM

À la place de Yanis, explique en 4 lignes aux stagiaires le trajet de l'énergie dans la centrale, et pourquoi il est normal qu'une grande partie de la chaleur parte à la mer.

« La fission chauffe l'eau du circuit primaire, qui transmet sa chaleur au circuit secondaire dans le générateur de vapeur. La vapeur fait tourner la turbine, qui entraîne l'alternateur : c'est lui qui produit l'électricité. Comme toute machine thermique, la centrale ne peut convertir qu'environ 35 % de la chaleur en électricité : le reste est évacué par le condenseur vers l'eau de mer, dans un troisième circuit séparé des deux autres. »

Pour aller plus loin (bonus)

Sélectionne « Site complet — 2 réacteurs » à pleine puissance. 1) Relève la puissance électrique du site et le nombre de foyers alimentés. 2) Calcule l'énergie produite en un an à cette puissance (\(E = P \times t\), avec 1 an = 8 760 h) et compare au chiffre réel de Penly (≈ 16 TWh/an). Comment expliquer l'écart ?

1) \(P_{site} = 2 \times 1\,330 = 2\,660\) MW, plus de 4 millions de foyers. 2) \(E = 2\,660 \times 8\,760 \approx 23{,}3\times10^{6}\) MWh \(\approx 23\) TWh. La production réelle (≈ 16 TWh) est plus faible car la centrale ne tourne pas toute l'année à pleine puissance : arrêts pour maintenance et rechargement du combustible, baisses de puissance pour suivre la demande du réseau.

✅ Auto-évaluation

À retenir

Réponse à la problématique : la chaleur de la fission passe du cœur au générateur de vapeur (circuit primaire), la vapeur entraîne la turbine puis l'alternateur (circuit secondaire), et la chaleur non convertie (~65 %) est évacuée vers la mer par le condenseur (circuit de refroidissement).

📚 Production d'énergie électrique et bilan de puissance (leçon Ch01). Voir aussi l'activité 14 (d'où vient la chaleur : la fission) et l'activité 11 (le cycle vapeur en général).