Réacteur nucléaire

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Cœur du réacteur CROCUS à l'EPFL (Suisse)

Un réacteur nucléaire est un ensemble de dispositifs comprenant une enceinte enfermant un « cœur » dans lequel une réaction en chaîne peut être initiée, modérée et contrôlée par l'humain via divers dispositifs de modération de la réaction de fission et d'évacuation d'énergie (chaleur).

Dans le coeur, sous l’effet d’une collision avec un neutron, le noyau de certains gros atomes, dits fissiles, a la propriété de se casser en deux (se fissionner), avec libération corrélative d'une grande quantité d'énergie (de chaleur) et production de 2 à 3 neutrons eux-mêmes capables de produire une nouvelle fission (créant ainsi la réaction en chaine). La matière fissile qui constitue le cœur des réacteurs est en général de l’uranium ou du plutonium .

Ces réacteurs sont industriels, civils ou militaires ou de recherche, mais il existe une preuve géologique d'un cas (le seul connu à ce jour) de réacteur naturel ; le réacteur nucléaire naturel d'Oklo où une concentration "naturelle" de métaux radioactifs a permis d'atteindre le stade de la criticité et d'engendrer une réaction nucléaire en chaine.

Hors accident grave, contrairement à ce qui se produit dans une bombe atomique où la réaction en chaîne se produit en une fraction de seconde, la réaction en cours dans un réacteur est contrôlée par des modérateurs.

Applications[modifier | modifier le code]

Les applications des réacteurs nucléaires comprennent essentiellement :

Les principales applications sont la production d'électricité et la propulsion nucléaire navale de navires, militaires (sous-marins nucléaires, porte-avions…) ou civils (brise-glace notamment).

Histoire[modifier | modifier le code]

Réacteur nucléaire en Pologne

Le premier réacteur nucléaire est construit aux États-Unis en 1942, à l'Université de Chicago, par Enrico Fermi et Leó Szilárd. Il est constitué d’un empilement de 6 tonnes d’uranium métallique, 34 tonnes d’oxyde d’uranium et 400 tonnes de graphite, c'est pourquoi il porte le nom de pile atomique. Sa puissance n'est que de 0,5 W, mais sa divergence permit de conforter la théorie sur les mécanismes de fission ; ce réacteur servit aussi d'installation pilote pour réaliser les réacteurs destinés à la production du plutonium nécessaire à la bombe atomique développée dans le cadre du projet Manhattan. Depuis les années 1950, de nombreux réacteurs nucléaires fonctionnent dans le monde sur le principe de la fission nucléaire pour produire de l'électricité. Pendant ces 50 dernières années, différentes technologies et filières de réacteurs civils ont été développées.

Parallèlement, des recherches portent sur des réacteurs qui fonctionneraient sur le principe de la fusion nucléaire. Il existe dans le monde deux grands axes de recherche :

En France[modifier | modifier le code]

Le premier réacteur d’essai français a été construit par Lew Kowarski et Frédéric Joliot-Curie au centre d’études de Fontenay-aux-Roses (Hauts-de-Seine) du Commissariat à l'énergie atomique (CEA). Cette pile atomique, dénommée la pile Zoé, lança son premier processus de réaction nucléaire en chaîne en 1948. Ce réacteur avait pour but de placer la France dans le peloton des puissances nucléaires en fabriquant du plutonium pour la bombe atomique.

Côté russe, les premiers réacteurs RBMK ont été construits pour produire du plutonium militaire. La mise en service du réacteur d'Obninsk en 1954 fournit de l'électricité avec une puissance de 5 MW. Il peut être considéré comme le premier réacteur électronucléaire au monde, car il est le premier conçu dans une optique électrogène. Son exploitation durera 48 ans.

En 1956, le réacteur G1 est mis en marche au centre de recherche du CEA de Marcoule, il s'agit du premier réacteur français à produire non seulement du plutonium mais aussi de l'électricité. Il initiait alors la filière française Uranium naturel graphite gaz (UNGG), aujourd'hui remplacée par la technologie d'origine américaine à eau pressurisée (REP).

Fonctionnement d'un réacteur[modifier | modifier le code]

Réacteur de recherche PULSTAR de 1 MW en Caroline-du-Nord (États-Unis)
Salle de contrôle du réacteur PULSTAR

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, une cuve métallique, et enfin une enceinte de confinement[1].

Fission nucléaire[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Fission nucléaire.

Les noyaux atomiques très lourds tels que l'uranium ou le plutonium contiennent énormément de protons, et sont instables. Si l'un de ces atomes très lourd (par exemple l'uranium 235 ou le plutonium 239) capture un neutron, il se transforme en un noyau encore plus instable (236U ou 240Pu), 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 deux ou trois neutrons supplémentaires, libres. Ces neutrons supplémentaires sont disponibles pour d'autres fissions de noyau : c'est le principe de la réaction en chaîne.

La différence d'énergie de liaison est partiellement transformée en énergie cinétique des produits de fission. Ceux-ci donnent cette énergie sous forme de chaleur 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 appelés produits de fission. Ils présentent généralement un excès de neutrons, et tendent à être radioactifs avec une radioactivité 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.

Neutrons thermiques et modérateur[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Thermalisation des neutrons.

Plus un neutron est lent, plus la probabilité qu'il soit capté par un atome 235U est grande. C'est pourquoi l'on ralentit les neutrons rapides provenant de la réaction de fission par un modérateur. 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 du mouvement brownien, la vitesse des noyaux du modérateur est définie par sa température. On parle donc de thermalisation 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 des neutrons thermiques pour réaliser la fission nucléaire est dénommé [réacteur thermique], au contraire d'un réacteur rapide qui utilise pour la fission des neutrons qui n'ont pas été ralentis (d'où la dénomination réacteur à neutrons rapides).

Pilotage de la réaction en chaîne[modifier | modifier le code]

réacteur à eau bouillante :
  1. barre d'arrêt d'urgence
  2. barre de contrôle
  3. assemblage combustible
  4. protection biologique
  5. sortie de vapeur
  6. entrée de l'eau
  7. protection thermique

Le pilotage d'un réacteur nucléaire repose sur le maintien d'une masse critique de combustible nucléaire au cœur du réacteur. Pour permettre un meilleur rendement du réacteur, on effectue une thermalisation des neutrons à l'aide d'un modérateur. Et pour évacuer l'énergie thermique produite par la réaction en chaine, on utilise un caloporteur. Dans le cas d'un réacteur REP, l'eau sert à la fois de caloporteur et de modérateur.

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, le cadmium, gadolinium et le bore. À partir de compositions chimiques de ces éléments, on fabrique, par exemple, les barres de contrôle du réacteur nucléaire. Le réacteur peut être contrôlé par l'introduction ou le retrait de ces barres dans le cœur. La réaction en chaîne est entretenue selon le principe suivant : en entourant le matériau fissile d'un réflecteur 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 la neutronique. Le paramètre le plus important d'un réacteur est sa réactivité, elle s'exprime en pcm (pour cent mille) et permet de contrôler qu'un réacteur ne réalise pas d'empoisonnement au xénon.

Le xénon et le samarium sont des éléments produits par décroissance radioactive de deux des principaux produits de fission émis par la désintégration des noyaux fissiles : l'iode et le prométhéum. 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 prométhéum présents dans le cœur continuent de se désintégrer augmentant la quantité de xénon et de samarium présents dans le cœur, augmentant ainsi l'empoisonnement du réacteur.

Pour les personnes chargées de piloter le réacteur, un des principaux soucis est de 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 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 les crayons combustibles on peut « imager » ces déséquilibres  :

  1. le déséquilibre axial du flux (Dpax ou axial 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 probable d'atteindre les conditions de saturation de l'eau ;
  2. le déséquilibre azimutal (DPAzn) représente l'image du flux « vue du dessus » du cœur. Le flux observé doit être circulaire (donc régulier) puisque le réacteur est cylindrique. Si le flux n'est pas circulaire 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 en bore du circuit primaire (dilution / borication) pour compenser les variations des poisons et ainsi maintenir la quantité d'antiréactif nécessaire au maintien de la criticité ;
  • l'effet température (marge d'environ ± 0,8 °C) pour jouer sur la favorisation ou non de la réaction en chaine (dilatation du modérateur) ;
  • la position des grappes de contrôle de la puissance pour ajuster la puissance nucléaire du réacteur à celle du groupe turbo-alternateur.

Chaleur et puissance résiduelles[modifier | modifier le code]

Même si le réacteur est mis à l'arrêt, l'activité des produits de fission continue de produire de la chaleur. La puissance de cette chaleur résiduelle correspond environ à 6 % de la puissance thermique nominale à l'instant de l'arrêt de la réaction nucléaire en chaîne, elle diminue ensuite et disparait en l'espace de quelques jours.

Pour pouvoir évacuer la chaleur résiduelle en cas d'urgence, les centrales nucléaires conservent en permanence un système de refroidissement. Si un tel système ne fonctionnait pas, l'augmentation de la température pourrait conduire à une fusion du cœur du réacteur nucléaire. Néanmoins, des procédures de conduite particulières visent à réduire autant que possible ce risque.

Les accidents nucléaires les plus couramment travaillés sur simulateur, par les conducteurs de tranche, sont l'accident de criticité et la fusion du cœur ainsi que la perte totale du refroidissement.

Classification des réacteurs nucléaires - Notion de filière de réacteurs nucléaires (Types de réacteurs nucléaires)[modifier | modifier le code]

Filière de réacteurs nucléaires[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Filière nucléaire.

On regroupe sous le label « filière de réacteurs (nucléaires) » l'ensemble des conditions techniques qui permettent d'obtenir la réaction nucléaire de fission en chaine 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 « filière de réacteurs » ; filières nucléaires)

Une filière de réacteur est ainsi caractérisée par :

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.

Le cycle 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.

Filières « thermiques » et filières « rapides »[modifier | modifier le code]

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 « thermiques » (on dit aussi modérées) qui mettent en œuvre la grande capacité des neutrons de faible énergie (neutrons à l'énergie thermique à l'équilibre avec le milieu = 0,45 keV) à provoquer la fission de l'uranium 235 et du plutonium 239 ; ces filières comportent donc toutes un modérateur destiné à ralentir par chocs successifs les neutrons issus des fissions (émis avec une énergie de l'ordre de 2 MeV) au niveau thermique sans les absorber ;
  • 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.

Ces dispositions permettent ainsi de convertir les atomes lourds non fissiles (uranium 238 principalement et aussi thorium 232) en atomes fissiles plutonium 239 et uranium 233. Le réacteur est alors dit « surgénérateur » : en fin de vie du cœur, la quantité d'atomes fissiles présente est supérieure à celle initialement installée dans le cœur du réacteur (avec la remarque complémentaire que dans le cas du thorium l’obtention de la surgénération est quasiment faisable en neutrons thermiques ou à tout le moins fortement ralentis).

Réacteurs d'irradiation ou de recherche[modifier | modifier le code]

Ces réacteurs sont atypiques, dans la mesure où ils ne sont pas optimisés pour la production d'énergie.

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 de 2,5 moles de neutrons par mégawatt thermique et par an[2], ce qui permet (par activation neutronique) de produire une quantité d'isotopes du même ordre de grandeur (mais le rendement réel dépend du bilan neutronique et est nettement inférieur, de l'ordre de 10 % de cette quantité). Dans la mesure où l'on ne cherche pas à optimiser le rendement thermique de tels réacteurs, leur température et pression de fonctionnement peut être maintenue à des valeurs très faible (pression atmosphérique et moins de 100 °C), ce qui en simplifie beaucoup la conception.

Les réacteurs de recherche peuvent avoir des destinations très variées. Ils peuvent être conçus pour étudier le comportement de la matière sous flux neutronique, ou le comportement du réacteur lui-même dans des situations atypiques (transitoires de puissance, excursions de criticité, fusion de cœur…) qu'il serait évidemment dangereux de produire dans des réacteurs industriels.

Générations de réacteurs nucléaires[modifier | modifier le code]

Outre le regroupement technique et technologique évoqué ci-dessus une autre classification est apparue assez récemment voulant classer les réacteurs nucléaires par générations, correspondant chacune à des évolutions technologiques.

Réacteurs nucléaires dans le monde[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Liste de réacteurs nucléaires.

En décembre 2011, 435 réacteurs de puissance sont opérationnels dans le monde et 63 sont par ailleurs en construction[3].

Accidents ayant affecté des réacteurs nucléaires[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Liste d'accidents nucléaires.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. "Introduction au génie nucléaire" de Jacques Ligou
  2. La fission d'un atome d'uranium produit en moyenne 2,5 neutrons (dont un servira à entretenir la réaction) et 200 MeV d'énergie thermique. Une mole d'uranium 235 produit d'une part 1,5 moles de neutrons excédentaires, et d'autre part 6.02E23 x 200 MeV soit 19,3E12 joules, ce qui correspond à une puissance de 0,61 MW pendant un an.
  3. (en) « Power reactor information system », sur www.iaea.org (consulté le 14 décembre 2011)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]