Un réacteur nucléaire (ou réacteur atomique) est une installation capable de convertir l'énergie nucléaire en énergie thermique. Les réacteurs ont la capacité d'initier, de contrôler et d'entretenir les réactions nucléaires en chaîne qui se produisent au cœur de cette installation.
Dans une centrale nucléaire courante, les réacteurs nucléaires sont utilisés pour produire de l'énergie thermique et générer de la vapeur d'eau pour entraîner les turbines à vapeur avec lesquelles elle est obtenue.
A quoi sert un réacteur nucléaire ?
Un réacteur nucléaire est principalement utilisé pour générer de l'énergie électrique grâce à un processus appelé fission nucléaire contrôlée. Les centrales nucléaires sont des installations conçues pour utiliser des réacteurs nucléaires à cette fin.
Cependant, les réacteurs atomiques existent pour remplir d'autres objectifs. Voici quelques utilisations et avantages des réacteurs nucléaires :
Production d'énergie électrique
Les réacteurs nucléaires sont une source continue d'énergie électrique. La fission nucléaire produit une grande quantité de chaleur, qui est utilisée pour générer de la vapeur et entraîner des turbines, qui à leur tour produisent de l'électricité.
L'un des principaux avantages des réacteurs atomiques est qu'ils peuvent fonctionner pendant de longues périodes sans interruption. De cette manière, ils peuvent fournir une source d'énergie de base constante pour répondre à la demande électrique.
Production de radio-isotopes
Les réacteurs nucléaires sont également utilisés pour la production de radio-isotopes utilisés en médecine, dans la recherche et dans des applications industrielles.
Certains radio-isotopes possèdent des propriétés uniques qui sont utilisées dans les diagnostics et les traitements médicaux, comme l'imagerie diagnostique et la radiothérapie.
Recherche scientifique et technologique
Les réacteurs nucléaires jouent un rôle crucial dans la recherche scientifique et le développement technologique.
Les réacteurs de recherche servent à :
Étudiez la physique des noyaux atomiques.
Effectuer des recherches sur les matières nucléaires.
Simulez des conditions extrêmes.
Analyser la sécurité.
Améliorer et développer de nouvelles conceptions de réacteurs.
Parties d'un réacteur nucléaire
Un réacteur nucléaire est composé des éléments suivants :
1. Noyau
Il est constitué de crayons combustibles. Le cœur du réacteur a une forme géométrique caractéristique. Le noyau est refroidi par un fluide, généralement de l'eau.
Dans certains réacteurs nucléaires, le cœur est situé dans une piscine d'eau, d'environ 10 à 12 mètres de profondeur, ou dans une cuve sous pression en acier.
2. Barres de combustible
Ils constituent le lieu physique où le combustible nucléaire est confiné. Certains crayons combustibles contiennent de l'uranium mélangé à de l'aluminium sous forme de feuilles plates. Ces feuilles sont séparées d'une certaine distance qui permet la circulation du fluide caloporteur.
Les feuilles sont placées dans une sorte de boîte qui sert de support.
Le combustible nucléaire est un matériau doté d'une capacité de fission suffisante pour atteindre une masse critique. Autrement dit, maintenir une réaction nucléaire en chaîne. Il est placé de manière à pouvoir extraire rapidement l'énergie thermique produite par cette réaction nucléaire.
L'uranium naturel est extrait des mines d'uranium mais n'est pas suffisamment radioactif pour être utilisé directement dans un réacteur. L'uranium naturel subit un processus d'enrichissement pour obtenir des isotopes plus instables afin d'augmenter le coefficient de réactivité.
Pour qu'un réacteur nucléaire fonctionne pendant un certain temps, il doit avoir une réactivité excessive, qui est maximale avec du combustible neuf et diminue avec sa durée de vie jusqu'à son annulation. C'est à ce moment que s'effectue la recharge du combustible nucléaire.
3. Barres de contrôle
Les faisceaux de barres de contrôle constituent un moyen rapide de contrôler les réactions en chaîne. Ces barres permettent des changements rapides de puissance dans le réacteur nucléaire et son arrêt éventuel en cas d'urgence.
Les barres de commande sont constituées de matériaux absorbant les neutrons et ont généralement les mêmes dimensions que les assemblages combustibles.
Le coefficient de réactivité du cœur augmente ou diminue en montant ou en abaissant les barres de commande. En les relevant ou en les abaissant, on modifie la présence du matériau neutrophage contenu en eux dans le coeur.
En fonctionnement normal, un réacteur nucléaire a les barres de commande totalement ou partiellement retirées du cœur.
La conception des centrales nucléaires est telle qu'en cas de défaillance d'un système de sécurité ou de contrôle du réacteur, celui-ci agit toujours dans le sens d'une sécurité maximale, en insérant complètement toutes les barres de commande dans le cœur du réacteur.
Cette action arrête le réacteur nucléaire en toute sécurité en quelques secondes.
4. Modérateur nucléaire
Les neutrons issus d'une réaction de fission nucléaire ont une énergie cinétique élevée. Plus leur vitesse est élevée, moins ils sont susceptibles de fissonner d'autres atomes, il est donc conseillé de réduire cette vitesse pour favoriser de nouvelles réactions en chaîne.
La fonction du modérateur est de réduire l'énergie cinétique des neutrons grâce à des collisions élastiques des neutrons avec les noyaux du modérateur lui-même.
Parmi les modérateurs les plus utilisés figurent l'eau légère, l'eau lourde et le graphite.
5. Liquide de refroidissement
Afin de profiter de l'énergie thermique libérée par les réactions de fission nucléaire, un liquide de refroidissement est utilisé. La fonction du réfrigérant est d'absorber ladite énergie thermique et de la transporter.
Le liquide de refroidissement doit être anticorrosif, avoir une capacité thermique élevée et ne doit pas absorber de neutrons.
Les réfrigérants les plus courants sont :
Gaz tels que le dioxyde de carbone et l'hélium
Liquides tels que l'eau légère et l'eau lourde.
Il existe même certains composés organiques et métaux liquides comme le sodium, qui sont également utilisés pour cette fonction.
6. Réflecteur
Dans une réaction nucléaire en chaîne, un certain nombre de neutrons ont tendance à s'échapper de la région où ils se produisent. Cette fuite de neutrons peut être minimisée grâce à l'existence d'un milieu réfléchissant qui les renvoie vers la région de réaction.
Le milieu réfléchissant entourant le coeur doit avoir une section efficace de capture faible pour ne pas réduire le nombre de neutrons et pour qu'un maximum d'entre eux soient réfléchis.
7. Blindage
Lorsque le réacteur nucléaire fonctionne, une grande quantité de rayonnement est générée . Le blindage est utilisé pour protéger et isoler les travailleurs des installations de la radioactivité causée par les produits de fission.
Un bouclier biologique est donc placé autour du réacteur pour intercepter ces émissions radioactives.
Les matériaux les plus utilisés pour construire ce blindage sont le béton, l'eau et le plomb.
Types de réacteurs
Il existe plusieurs types de réacteurs nucléaires, parmi lesquels :
- Réacteur à eau sous pression (REP) : Dans un REP, l'eau est utilisée comme liquide de refroidissement et modérateur. De l'eau à haute pression circule dans le cœur du réacteur pour transférer la chaleur produite par les réactions nucléaires. Il s'agit du type de réacteur le plus répandu dans les centrales nucléaires commerciales.
- Réacteur à eau bouillante (BWR) : Dans un BWR, l'eau est utilisée à la fois comme liquide de refroidissement et comme modérateur. L'eau bout dans le noyau et la vapeur générée entraîne des turbines pour produire de l'électricité.
- Réacteur à eau lourde sous pression (CANDU) : Dans ces réacteurs, le modérateur est de l'eau lourde (oxyde de deutérium) et le caloporteur est de l'eau légère. Ils sont connus pour leur flexibilité et leur capacité à utiliser l'uranium naturel comme combustible.
- Réacteur à sels fondus (MSR) : Dans un MSR, le combustible nucléaire est dissous dans un sel fondu qui sert de liquide de refroidissement. Ils sont connus pour leur sécurité inhérente et leur capacité à fonctionner à des températures élevées.
- Réacteur rapide refroidi par métal (LMFR) : ces réacteurs utilisent des métaux liquides, tels que le sodium ou le plomb, comme caloporteurs et fonctionnent à des vitesses de neutrons plus rapides. Ils sont efficaces pour transmuter les déchets nucléaires et produire plus de combustible.
- Réacteur à eau lourde et graphite (HWGCR) : Ce type de réacteur utilise du graphite comme modérateur et de l'eau lourde comme liquide de refroidissement. Ils sont connus pour leur utilisation dans la production de plutonium.
- Réacteur à neutrons rapides (FNR) : Les réacteurs à neutrons rapides fonctionnent avec des neutrons rapides plutôt que modérés. Ils sont efficaces dans l'utilisation du combustible et la production de nouvelles matières nucléaires.
