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Cœur du réacteur miniatureCrocus de puissance nulle à l'EPFL (Suisse).
Unréacteur nucléaire est un équipement industriel comprenant ducombustible nucléaire, qui constitue son « cœur », dans lequel uneréaction en chaîne peut être amorcée et contrôlée par des agents humains ou par des systèmes automatiques, suivant des protocoles et au moyen de dispositifs propres à lafission nucléaire.
Dans le cœur d'un réacteur nucléaire, sous l'effet d'une collision avec unneutron, lenoyau atomique de certains grosatomes, ditsfissiles, peut se casser en deux (il fissionne), en libérant une grande quantité de chaleur et en produisant deux ou trois neutrons, chacun étant capable de produire une nouvelle fission lors d'une collision avec un autre atome (créant potentiellement uneréaction en chaîne)[2],[3].
Par ailleurs, des preuvesgéochimiques témoignent de l'existence, il y a environ deux milliards d'années, d'un réacteur naturel (le seul connu à ce jour) : leréacteur nucléaire naturel d'Oklo, auGabon ; une concentration naturelle de métauxradioactifs a permis d'y atteindre lacriticité et d'engendrer une réaction en chaîne.
Parallèlement, des recherches portent sur des réacteurs qui fonctionneraient sur le principe de lafusion nucléaire. Il existe dans le monde deux grands axes de recherche :
En 1956, le réacteurG1 est démarré au centre de recherche du CEA deMarcoule : il s'agit du premier réacteur français à produire non seulement duplutonium mais aussi de l'électricité. Il initiait alors la filière françaiseUranium naturel graphite gaz (UNGG). Celle-ci sera vite remplacée par la technologie d'origine américaine desréacteurs à eau pressurisée (REP), utilisée parFramatome pour construire59 réacteurs (contre neuf réacteurs UNGG, dont le premier a été arrêté en 1968 et le dernier en 1994).
Un réacteur nucléaire comprend toujours au moins un cœur où se déroule la réaction de fission nucléaire, des réflecteurs et des moyens de contrôle de la réaction, le tout maintenu dans unecuve métallique ou un caisson béton qui joue généralement le rôle d'enceinte de confinement[4].
Les noyaux atomiques très lourds tels que l'uranium ou le plutonium contiennent énormément denucléons, et sont naturellement instables. Si l'un de ces atomes très lourd (par exemple l'uranium 235 ou leplutonium 239) capture unneutron, il se transforme en un noyau encore plus instable (236U ou240Pu), et récupère par la même occasion de l'énergie.
Le noyau résultant se divise très rapidement : il fissionne en se divisant en deux noyaux principaux et en libérant plusieurs neutrons supplémentaires, libres. Ces neutrons supplémentaires sont disponibles pour d'autres fissions de noyau : c'est le principe de laréaction en chaîne.
La différence d'énergie de liaison est partiellement transformée enénergie cinétique des produits de fission. Ceux-ci donnent cette énergie sous forme dechaleur par des chocs sur le matériau environnant. Cette chaleur est évacuée à l'aide d'un réfrigérant et peut, par exemple, être utilisée pour le chauffage ou la production d'électricité.
Les nouveaux noyaux issus de la division sont appelésproduits de fission. Ils présentent généralement un excès deneutrons, et tendent à être radioactifs avec uneradioactivité β−. Quand cette radioactivité β− a été exprimée, ils possèdent globalement une énergie de liaison plus importante par nucléon que les anciens atomes lourds — et donc sont plus stables.
Plus un neutron est lent, plus la probabilité qu'il soit capté par un atome235U est grande. C'est pourquoi l'on ralentit les neutrons rapides provenant de la réaction de fission par unmodérateur. Un modérateur est un matériau qui contient de nombreux noyaux atomiques très légers, presque aussi légers qu'un neutron. Les neutrons sont alors ralentis par les chocs sur ces noyaux atomiques légers jusqu'à la vitesse de ces noyaux du modérateur. Selon la théorie dumouvement brownien, la vitesse des noyaux du modérateur est définie par sa température. On parle donc dethermalisation des neutrons plutôt que de ralentissement des neutrons. Contrairement à ce qu'évoque le terme « modérateur », celui-ci facilite et donc accélère la réaction.
Un réacteur qui utilise pour la fission des neutrons qui n'ont pas été ralentis est appeléréacteur à neutrons rapides.
Cuve d’un réacteur à eau bouillante (réacteur ABWR). 1 : cœur du réacteur 2 : barres de contrôle 3 : pompe de circulation interne 4 : sortie de vapeur vers la turbine 5 : entrée d'eau pour refroidir le cœur.
Pour que la réaction en chaîne ne s'amplifie pas indéfiniment, elle doit être pilotée. Pour cela, on utilise un matériau absorbant les neutrons, par exemple lecadmium, legadolinium ou lebore. À partir de ces éléments ou de leurs composés (ex. : leB4C), on fabrique lesbarres de contrôle du réacteur nucléaire, qui sont progressivement introduites ou retirées dans le cœur du réacteur selon les besoins. La réaction en chaîne est entretenue selon le principe suivant : en entourant le matériau fissile d'unréflecteur de neutrons, on favorise la fission, ce qui diminue la quantité nécessaire au déclenchement de la réaction ; en revanche, la présence d'un absorbeur de neutrons a l'effet contraire.
La description du comportement du cœur s'appuie sur laneutronique. Le paramètre le plus important d'un réacteur est sa réactivité, elle s'exprime en « pour cent mille » (pcm) et permet de contrôler qu'un réacteur ne réalise pas d'empoisonnement au xénon.
Lexénon et lesamarium sont des éléments produits pardécroissance radioactive de deux des principauxproduits de fission émis par la désintégration des noyaux fissiles : l'iode et leprométhium. Ils sont présents à partir du moment où il y a une réaction nucléaire. Le xénon et le samarium sont fortement absorbeurs des neutrons, on dit qu'ils empoisonnent le cœur car leur présence tend à étouffer la réaction en chaîne. En outre, après arrêt du réacteur, l'iode et le prométhium présents dans le cœur continuent de se désintégrer, augmentant la quantité de xénon et de samarium présents dans le cœur, et donc l'empoisonnement du réacteur. Le pilotage du réacteur doit contrôler les effets de ces poisons, notamment lors des variations de puissance. Les variations de l'anti-réactivité apportée par le xénon et le samarium sont alors suivies avec intérêt car elles provoquent un déséquilibre axial de flux et, parfois, on peut observer un déséquilibre azimutal du flux nucléaire.
En considérant que la charge de combustible est cylindrique, que les grappes de contrôle manœuvrent verticalement du haut vers le bas et que le caloporteur s'échauffe en remontant le long des crayons combustibles on peut « imager » ces déséquilibres :
ledéséquilibre axial du flux (Dpax ouaxial offset) est la différence de flux constatée entre le bas et le haut du réacteur. Les grappes s'insérant par le haut du réacteur, le flux a donc toujours tendance à être plus important en bas du cœur. L'usure du combustible s'exerce donc graduellement de bas en haut du cœur. Si le flux devenait plus important en haut qu'en bas du cœur, il y aurait d'une part une usure du cœur irrégulière du combustible et d'autre part un risque d'ébullition en partie haute du cœur. En effet, l'eau étant plus chaude en haut du cœur, il est plus probable d'y atteindre les conditions de saturation de l'eau ;
ledéséquilibre azimutal du flux (DPAzn) représente l'image du flux « vue du dessus » du cœur. Le flux observé doit être axisymétrique (donc régulier) puisque le réacteur est cylindrique. Si le flux n'est pas axisymétrique alors cela signifie que la puissance nucléaire n'est pas uniforme sur une unité de section du cœur. Cela est donc synonyme de points chauds (ou de surpuissance localisée) qui peut provoquer une ébullition localisée conduisant à la surchauffe (par l'effet de caléfaction) et mener à la fusion du combustible.
Dans tous les cas, les spécifications techniques d'exploitation interdisent ces fonctionnements et prescrivent ainsi une conduite à tenir comme la baisse de la puissance, par exemple ou l'arrêt. Si la dynamique du phénomène est importante, des protections initient l'arrêt automatique du réacteur.
Pour corriger le déséquilibre axial, les opérateurs agissent sur trois paramètres :
la concentration enbore du circuit primaire (dilution / borication) pour compenser les variations des poisons et ainsi maintenir la quantité d'antiréactif nécessaire au maintien de la criticité ;
La réaction nucléaire est très exothermique. Les installations nécessitent donc un refroidissement et localement une bonne isolation thermique[5].
Après l'arrêt d'un réacteur nucléaire, l'activité des produits de fission continue de produire de lachaleur. La puissance de cettechaleur résiduelle correspond environ à 7 % de la puissance thermique nominale à l'instant de l'arrêt de la réaction nucléaire en chaîne, elle diminue ensuite régulièrement et passe en dessous de 0,3 % de cette puissance thermique une semaine après l'arrêt[6].
Pour pouvoir évacuer la chaleur résiduelle en cas d'urgence, les centrales nucléaires conservent en permanence unsystème de refroidissement. Si un tel système ne fonctionnait pas, l'augmentation de la température pourrait conduire à unefusion du cœur du réacteur nucléaire. Néanmoins, des procédures de conduite particulières visent à réduire autant que possible ce risque.
On regroupe sous le label « filière de réacteurs (nucléaires) » l'ensemble des conditions techniques qui permettent d'obtenir la réaction nucléaire de fission en chaîne et la contrôler.
Les différents types de réacteurs existants dans le monde suivant les différentes applications (le type de réacteur est attaché à un constructeur donné) sont ainsi regroupés par filières de réacteurs, oufilières nucléaires. Une filière de réacteur est ainsi caractérisée par :
la nature du combustible et du fluide caloporteur : réacteur à combustible liquide, dans lequel le liquide caloporteur et le combustible sont mélangés sous forme liquide (réacteur nucléaire à sels fondus).
Une filière de réacteurs représente un ensemble de choix technologiques qui sont très lourds de conséquences et très engageants sur la longue période, par exemple :
d'un point de vue technique, il existe beaucoup plus de points communs entre deux réacteurs de la même filière construits par deux constructeurs différents dans des pays différents et donc autorisés d'exploiter par des autorités de sûreté différentes qu'entre deux réacteurs de filières différentes construits par le même constructeur dans le même pays (par exemple, les réacteurs russes VVER sont beaucoup plus proches des PWR tels que développés en France que des réacteurs graphite-gaz) ;
d'un point de vue stratégique social ou économique, si un constructeur ou un pays a fait le choix d'une filière de réacteurs, il lui sera très difficile d'en changer ultérieurement.
Lecycle du combustible nucléaire est défini par les trois paramètres liés à la filière de réacteurs (combustible, modérateur, fluide caloporteur).
Par abus de langage, on emploie l'expression « filière des réacteurs à eau pressurisée » (au sujet des réacteurs), en incluant implicitement les phases amont et aval du cycle. L'expression « cycle du combustible nucléaire » évoque explicitement toutes les phases.
On regroupe généralement les filières de réacteurs en deux groupes principaux qui se distinguent principalement par la voie choisie pour obtenir les conditions de criticité dans le cœur du réacteur, il y a donc ainsi :
les filières dites « rapides » qui ne mettent pas en œuvre de modérateur en tant que tel mais visent à concentrer davantage la matière fissile de façon à obtenir les conditions de criticité en neutrons « rapides » issus des fissions sans ralentissement (ou alors très faible). L'intérêt principal des filières et réacteurs rapides provient de ce que :
le flux de neutrons rapides nécessaire pour réaliser la criticité est alors beaucoup plus élevé que le flux thermique équivalent d'un réacteur thermique ;
ce surcroît de flux rapide peut donc être mis à profit pour augmenter le nombre de captures non génératrices de fissions créés dans des atomes lourds fertiles disposés en périphérie du cœur proprement dit. Cette disposition permet de convertir les atomes lourds non fissiles (uranium 238, principalement, etthorium 232) en atomes fissiles deplutonium 239 et d'uranium 233. Le réacteur est alors dit « surgénérateur » : en fin de vie du cœur, la quantité d'atomes fissiles présent est supérieure à celle initialement installée dans le cœur du réacteur.
Dans le cas du thorium, l’obtention de lasurgénération est quasiment faisable enneutrons thermiques ou à tout le moins fortement ralentis.
Les classements ci-dessus concernent surtout les réacteurs électrogènes de grande taille. Il existe aussi plusieurs catégories de réacteurs de plus petite taille, dont certaines connaissent des développements récents d'envergure :
Les réacteurs d'irradiation servent à la production de neutrons libres, qui permet la création d'isotopes radioactifs, utilisés pour la recherche et en médecine. Un réacteur en fonctionnement produit de l'ordre de2,5moles de neutrons par mégawatt thermique et par an[b], ce qui permet (par activation neutronique) de produire une quantité d'isotopes du même ordre de grandeur (mais le rendement réel dépend du bilanneutronique et est nettement inférieur, de l'ordre de 10 % de cette quantité).
Dans le cadre du « Game Changing Development Program »[8], qui soutient les innovations en mesure de« révolutionner les futures missions spatiales », la NASA développe leKilopower Reactor Using Stirling Technology (KRUSTY), réacteur chargé avec de l’uranium 235 qui convertit la chaleur en électricité au moyen demoteurs Stirling. Ce réacteur destiné à l’établissement de colonies extraterrestres pourrait chauffer les habitations, recharger lesrovers et transformer des ressources, par exemple la glace en oxygène et en eau[9].
Outre le regroupement technique et technologique évoqué ci-dessus, une autre classification est apparue au début des années 2000 classant les réacteurs nucléaires engénérations, correspondant à des filières technologiques différentes.
En, 438 réacteurs de puissance sont opérationnels dans le monde et 58 sont en construction[12].
L'Union européenne (27 membres) compte 106 réacteurs nucléaires en 2019 répartis dans 13 de ses États membres. L'énergie électrique de la zone est produite à 26 % par des réacteurs nucléaires ; 52 % de cette part est produite en France, 9,8 % en Allemagne, 8,6 % enSuède, 7,6 % en Espagne[13].
↑Gregory R.Choppin, Jan-OlovLiljenzin, JanRydberg et ChristianEkberg,Radiochemistry and nuclear chemistry, Elsevier/AP, Academic Press is an imprint of Elsevier,(ISBN978-0-12-405897-2,OCLC852806072,lire en ligne).
↑Mordchelles-Regnier, G., Micheau, P., Pirovano, A., Jumentier, C., Terpstra, J. S., Lecourt, Y., ... & Breuille, M.,Recherches récentes effectuées en France sur l'isolation thermique des réacteurs nucléaires,Agence internationale de l'énergie atomique, Vienne, 1969, 529, 544.
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