Pour les articles homonymes, voirModérateur.
Cet articlene cite pas suffisamment ses sources().
Si vous disposez d'ouvrages ou d'articles de référence ou si vous connaissez des sites web de qualité traitant du thème abordé ici, merci de compléter l'article en donnant lesréférences utiles à savérifiabilité et en les liant à la section « Notes et références ».
En pratique :Quelles sources sont attendues ?Comment ajouter mes sources ?Dans le fonctionnement d'unréacteur nucléaire, lemodérateur est la substance qui ralentit lesneutrons produits par les réactions defission nucléaire, permettant ainsi uneréaction nucléaire en chaîne efficace.
En effet, les isotopes composant lecombustible nucléaire possède unesection efficace variable, c'est à dire que la probabilité de survenue d'une fission par un atome donné dépend de l'énergie d'un neutron incident, c'est à dire de sa vitesse. On parle deTempérature neutronique. En l'occurrence, dans le cas de l'Uranium 235, présent à pourcentage variable dans le combustible en fonction de sonenrichissement, la probabilité qu'il fissionne est plus forte lorsque le neutron incident possède une plus faible vitesse[1], on parle alors deneutron thermique.
La collision des neutrons issus des réactions de fission avec les atomes du modérateur produit ce ralentissement, conduisant à lathermalisation des neutrons, processus dont lesréacteurs à neutrons thermiques tirent partie.
En fonction de sa nature, le modérateur peut également absorber les neutrons, ces paramètres physiques influençant le choix du modérateur et modifiant son comportement dans le cœur d'un réacteur nucléaire en fonctionnement.
L'élément retenu pour concevoir le modérateur d'un réacteur nucléaire est le plus souvent soit :
Le ralentissement des neutrons est obtenu par un choc entre ce neutron et les noyaux d'atomes du modérateur.Lors de ce choc, une partie de l'énergie du neutron est transmise au noyau, ce qui provoque le ralentissement. Un bon modérateur doit avoir unesection efficace à la fois élevée pour les chocs élastiques, mais la plus faible possible pour l'absorption, afin d'éviter la capture neutronique. De plus, le ralentissement sera d'autant plus efficace que le noyau a une masse proche de celle du neutron.[réf. souhaitée]
Dans unréacteur à neutrons thermiques, lenoyau atomique d'un élément lourd tel que l'uranium absorbe unneutron lent, devient instable, et se scinde (fission nucléaire) en deuxnucléides plus légers. La fission du noyau de l'uranium 235 (235U) crée deux produits de fission : de deux à trois neutrons rapides, plus une quantité d'énergie qui se traduit principalement enénergie cinétique des produits de fission. Les neutrons libres sont émis avec une énergie cinétique de l'ordre de 2 MeV chacun. Comme le nombre de neutrons libres issus de la fission est supérieur au nombre de neutrons lents nécessaire pour initier celle-ci, la réaction peut s'auto-entretenir sous certaines conditions (c'est uneréaction en chaîne), permettant ainsi de libérer une grande quantité d'énergie.[réf. souhaitée]
La probabilité d'événements de fission supplémentaires est déterminée par lasection efficace, qui dépend de la vitesse (énergie) des neutrons incidents. Dans les réacteurs thermiques, les neutrons de haute énergie (dans la gamme du MeV) ont une probabilité bien moindre (quoique non nulle) de provoquer une autre fission. Les neutrons rapides nouvellement libérés, se déplaçant à environ 10 % de lavitesse de la lumière, doivent être ralentis, ou « modérés », typiquement à des vitesses de quelques kilomètres par seconde, si on veut qu'ils puissent provoquer une fission dans les noyaux d'235U environnants et ainsi entretenir la réaction en chaîne. Cette vitesse se traduit par une température de quelques centaines dedegrés Celsius.[réf. souhaitée]
Dans tous les réacteurs modérés, certains neutrons de toutes énergies provoquent une fission, y compris les neutrons rapides. Certains réacteurs sont plusthermalisés que d'autres ; par exemple, dans lesréacteurs CANDU presque toutes les réactions de fission sont produites par des neutrons thermiques, alors que dans lesréacteurs à eau pressurisée (REP) une proportion considérable des fissions sont produites par des neutrons de plus haute énergie. Dans lesréacteurs nucléaires à eau supercritique (RESC), la proportion des fissions dues à des neutrons rapides peut excéder 50 %, ce qui en fait techniquement desréacteurs à neutrons rapides.[réf. souhaitée]
Un réacteur à neutrons rapides n'utilise pas de modérateur, mais repose sur la fission produite par les neutrons rapides non modérés pour entretenir la réaction en chaîne. Dans certains de ces réacteurs, jusqu'à 20 % des fissions peuvent résulter d'une fission par neutrons rapides de l'uranium 238, unisotope qui n'est pasfissile avec les neutrons thermiques.[réf. souhaitée]
Les modérateurs sont utilisés également avec d'autressources de neutrons, comme leplutonium-béryllium et laspallation.[réf. souhaitée]
La forme et la localisation du modérateur ont une forte influence sur le coût et la sécurité d'un réacteur. Les modérateurs graphite sont classiquement des blocs usinés de graphite de haute pureté[2],[3], comportant des conduits d'évacuation de la chaleur. Ils sont placés dans la partie la plus chaude du réacteur, et par conséquent soumis à lacorrosion et à l'ablation. Dans certains matériaux, comme legraphite, l'impact des neutrons sur le modérateur peut entraîner l'accumulation de dangereuses quantités d'énergie Wigner. Ce problème fut à l'origine de l'incendie de Windscale dans la premièrecentrale nucléaire britannique en 1957.
Certains modérateurs desréacteurs à lit de boulets sont non seulement simples, mais également peu coûteux ; le combustible nucléaire est enfoui dans des sphères decarbone pyrolytique, approximativement de la taille d'une balle de tennis, les espaces entre les balles servant de conduits. Le réacteur fonctionne au-dessus de la température derecuit, de façon que le graphite n'accumule pas une dangereuse quantité d'énergie de Wigner.
Dans les réacteursCANDU etREP, le modérateur est de l'eau liquide (eau lourde pour CANDU,eau légère pour REP). En cas de perte totale du refroidissement dans un REP, le modérateur est également perdu et la réaction s'arrête. Cecoefficient modérateur négatif constitue une caractéristique de sécurité importante de ces réacteurs. Dans les réacteurs CANDU, le modérateur est placé dans un circuit séparé à eau lourde, qui entoure les conduits de refroidissement d'eau lourde pressurisée. Cette conception entraîne un coefficient modérateur positif, qui est compensé par la cinématique plus lente des neutrons modérés à l'eau lourde, procurant un niveau de sûreté comparable aux REP[4].
Les bons modérateurs sont exempts d'impuretés capables d'absorber les neutrons, comme lebore. Dans les réacteurs nucléaires à eau pressurisée commerciaux, le modérateur contient habituellement du bore dissous. La concentration de bore dans leliquide de refroidissement peut être modifiée par les opérateurs en ajoutant de l'acide borique ou en le diluant avec de l'eau, afin de modifier la puissance du réacteur.[réf. souhaitée]
Leprogramme nucléaire nazi subit un important revers lorsque les modérateurs en graphite peu coûteux s'avérèrent inefficaces. À cette époque, la plupart des graphites étaient déposés sur des électrodes en bore, et le graphite commercial allemand contenait trop de bore. Ne comprenant pas l'origine du problème, les ingénieurs allemands dûrent mettre en œuvre des modérateurs à eau lourde beaucoup plus coûteux.[réf. souhaitée]
Certains modérateurs sont très onéreux, comme lebéryllium ou l'eau lourde de qualité réacteur. L'eau lourde de qualité réacteur doit être pure à 99,75 % pour permettre les réactions avec l'uranium naturel. Sa préparation est rendue difficile par le fait que l'eau lourde et l'eau légère forment les mêmesliaisons chimiques de façon quasi identique, si ce n'est à des vitesses légèrement différentes.[réf. souhaitée]
Le modérateur à eau légère (essentiellement de l'eau normale très purifiée), beaucoup moins cher, absorbe beaucoup trop de neutrons pour pouvoir être utilisé avec de l'uranium naturel, ce qui nécessite de procéder à unenrichissement de l'uranium ou à unretraitement du combustible nucléaire usé. Ces opérations sont très coûteuses et techniquement complexes. De plus, aussi bien l'enrichissement que certains types de retraitement peuvent produire des matériaux utilisés pour la fabrication d'armes nucléaires, causant des problèmes deprolifération nucléaire. Des procédés de retraitement moins propices à la prolifération sont actuellement en développement.[réf. souhaitée]
Le modérateur des réacteurs CANDU joue également un rôle en matière de sûreté. Un grand réservoir d'eau lourde à basse température et basse pression modère les neutrons et agit commedissipateur thermique en cas de fuite du réfrigérant. Il est séparé des crayons de combustible nucléaire qui créent la chaleur. L'eau lourde est un ralentisseur (modérateur) des neutrons très efficace, ce qui permet aux réacteurs CANDU de se caractériser par une bonne économie de neutrons.[réf. souhaitée]
On imaginait initialement qu'unearme nucléaire pourrait consister en une quantité importante de matièrefissile modérée par un modérateur de neutrons, de façon similaire à unepile atomique[5]. Seul leprojet Manhattan explora l'idée d'uneréaction en chaîne de neutrons rapides dans de l'uranium ou duplutonium métalliques purs. D'autres concepts à modérateur furent également envisagés par les américains, tels que l'usage d'hydrure d'uranium comme matériau fissile[6],[7]. En 1943,Robert Oppenheimer etNiels Bohr envisagèrent la possibilité d'utiliser une « pile » comme arme[8]. Leur idée était qu'avec un modérateur augraphite il serait possible de provoquer une réaction en chaîne sans devoir effectuer uneséparation isotopique. En août 1945, lorsque la nouvelle desbombardements atomiques d'Hiroshima et de Nagasaki fut connue des scientifiques participant auprogramme nucléaire allemand,Werner Heisenberg émit l'hypothèse que la bombe devait être« semblable à un réacteur nucléaire, les neutrons étant ralentis par de nombreuses collisions avec un modérateur »[9].
À la suite du succès du projet Manhattan, tous les programmes d'armes nucléaires utilisèrent des neutrons rapides, à l'exception des essaisRuth etRay de l'opération Upshot-Knothole. L'objectif duLaboratoire national Lawrence-Berkeley (LBNL) était d'explorer la possibilité d'employer une charge de polyéthylène deutéré contenant de l'uranium[10] comme combustible nucléaire[11], dans l'espoir que le deutérium fusionnerait (deviendrait un medium actif) si compressé de façon appropriée. Dans le cas positif, ce dispositif pourrait également servir de partie primaire compacte contenant une quantité minimale de matière fissile, et suffisamment puissante pour mettre à feu RAMROD[11], unebombe thermonucléaire conçue par le LBNL. Pour un primaire « hydride », le degré de compression ne serait pas suffisant pour faire fondre le deutérium, mais avec un dopage adéquat la puissance serait considérablement accrue[12]. La charge consistait en un mélange d'hydrure d'uranium(III) (UH3)[11], et de polyéthylène deutéré. Le coeur testé avecRay utilisait de l'uranium faiblement enrichi en235U, et dans les deux essais ledeutérium servait de modérateur de neutrons[12]. Lapuissance prédite était de 1,5 à 3kilotonnes pourRuth (avec une puissance potentielle maximale de 20 kt[13]) et de 0,5 à 1 kt pourRay. Les tests produisirent une puissance de 200 t chacun ; les deux tests furent considérés deslongs feux[6],[7].
Le principal bénéfice d'un modérateur dans les explosifs atomiques est que la quantité de matériau fissile nécessaire pour atteindre lamasse critique peut être grandement réduite. Ralentir les neutrons rapides entraîne un accroissement de lasection efficace pour lacapture neutronique, permettant une réduction de la masse critique. En revanche, alors que se développe la réaction en chaîne, il se produit un échauffement du modérateur, qui perd ainsi sa capacité à refroidir les neutrons.[réf. souhaitée]
Un autre effet de la modération est un accroissement du délai entre les émissions successives de neutrons, qui ralentit d'autant plus la réaction. Ceci rend le confinement de l'explosion problématique ; l'effet d’inertie utilisé dans les bombes àimplosion pour améliorer le rendement et/ou diminuer la masse critique n'est pas capable de confiner la réaction. Il peut en résulter un long feu au lieu d'une explosion.[réf. souhaitée]
La puissance explosive d'une explosion totalement modérée est ainsi limitée ; au pire elle peut être égale à la puissance libérée par un explosif chimique de masse similaire. Comme le dit Heisenberg :« On ne peut jamais faire un explosif avec des neutrons lents, même pas avec de l'eau lourde, car alors le ralentissement des neutrons s'accompagne de chaleur, avec pour résultat que la réaction est si lente que l'engin explose trop tôt, avant que la réaction soit complète »[14].
Bien qu'une bombe atomique à neutrons thermiques soit irréaliste, la conception des armes modernes peut cependant mettre à profit un certain degré de modération. Unréflecteur de neutrons enbéryllium se comporte également en modérateur[15],[16].
Les autres matériaux à noyau léger ne sont pas adaptés pour diverses raisons. L’hélium est un gaz et requiert une mise en œuvre particulière pour atteindre une densité suffisante ; lelithium-6 et lebore-10 absorbent les neutrons.
),p. 211| Réacteurs àneutrons lents ou thermiques |
| ||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Réacteur à neutrons rapides |
| ||||||||||||||||
| Liste de réacteurs nucléaires dans le monde | |||||||||||||||||
