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SCIENCE - NEO-EVHEMERISME - DONJONSDRAGONS

Fonctionnement d'un réacteur nucléaire

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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.

Ces réacteurs sont industriels, civils ou militaires ou de recherche, mais il existe un cas géologique 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

Les applications des réacteurs nucléaires comprennent essentiellement :

- la production de chaleur, par exemple pour les centrales nucléaires ;

- la production de plutonium pour usage civil ou militaire;

- la production de neutrons libres ou d'isotopes radioactifs, utilisés pour la recherche et en médecine nucléaire.

HISTOIRE

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 :

- la fusion par confinement magnétique dans un Tokamak (notamment, le projet international ITER) ;

- la fusion par confinement inertiel.

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) duCommissariat 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.

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).

FISSION ET REACTION EN CHAINE

La fission nucléaire est le phénomène par lequel le noyau d'un atome lourd (noyau qui contient beaucoup de nucléons, tels les noyaux d'uranium et de plutonium) est divisé en plusieurs nucléides plus légers, généralement deux nucléides.

Cette réaction nucléaire se traduit aussi par l'émission de neutrons et un dégagement d'énergie très important.

Il existe deux types de fissions : la fission spontanée et la fission induite.

Réaction en chaine
Réaction en chaine

La fission nucléaire spontanée est une désintégration du noyau en plusieurs fragments sans absorption préalable d'un corpuscule. Ce type de fission n'est possible que pour les noyaux extrêmement lourds, car l'énergie de liaison par nucléon est alors plus petite que pour les noyaux moyennement lourds nouvellement formés.

La fission induite a lieu lorsqu'un noyau lourd capture une autre particule (généralement un neutron) et que le noyau ainsi composé se désintègre alors en plusieurs fragments.

Une réaction en chaîne se produit lorsqu'un neutron cause la fission d'un atome fissile produisant un plus grand nombre de neutrons qui à leur tour causent d'autres fissions.

Dans un milieu réactif, la vitesse à laquelle se déroule cette réaction en chaîne est mesurée par le facteur de multiplication. Le facteur de multiplication est le nombre moyen de neutrons émis par une fission qui engendre une nouvelle fission nucléaire, dans un milieu réactif donné. Les autres neutrons issus de la fission sont absorbés sans induire de fission nucléaire, ou s'échappent du système sans être absorbés.

La réactivité d'un système nucléaire dépend à la fois de la nature des matériaux présents et de sa géométrie. Un assemblage est en règle générale d'autant moins réactif qu'il est petit, parce que les neutrons produits dans la partie réactive se perdent au-delà de sa frontière dans un milieu moins réactif.

La durée de vie des neutrons directs est le délai moyen entre une émission d'un neutron et soit leur absorption par le système, ou leur sortie des limites du système. Le temps moyen entre générations est le temps moyen qui sépare l'émission d'un neutron de sa capture par un noyau fissile, résultant en une nouvelle fission.

Pour des réacteurs à neutrons thermiques, la durée de vie typique d'un neutron est de l'ordre de 10^−4 secondes; pour des réacteurs à neutrons rapides, cette durée de vie est de l'ordre de 10^−7 secondes. Ces durées extrêmement courtes signifient qu'en une seconde, il peut y avoir de 10 000 à 10 000 000 générations de neutrons.

Ce nombre de générations montre la difficulté qu'il y aurait à équilibrer un réacteur sur la base des seuls neutrons directs : sur la base de 40 000 générations par seconde, un très faible excès de réactivité de 0,01 % conduit au bout d'une seconde à un facteur d'augmentation de 55 si l'écart est positif, et de réduction de 0,018 si l'écart est négatif.

On imagine difficilement dans ces conditions comment la réaction en chaîne peut être régulée.

FONCTIONNEMENT DU REACTEUR

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 capture un neutron, il se transforme en un noyau encore plus instable, et récupère par la même occasion de l'énergie.

Coeur d
Coeur d'un réacteur

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.

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.

PILOTAGE DU REACTEUR

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 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 corriger cela, les opérateurs agissent sur trois paramètres :

- la concentration en bore du circuit primaire pour compenser les variations des poisons et ainsi maintenir la quantité d'antiréactif nécessaire au maintien de la criticité ;

- l'effet température pour jouer sur la favorisation ou non de la réaction en chaine;

- la position des grappes de contrôle de la puissance pour ajuster la puissance nucléaire du réacteur.

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.

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Bibliographie