Un réacteur nucléaire refroidi au gaz est un type de réacteur nucléaire dans lequel du gaz, généralement de l'hélium ou du dioxyde de carbone, est utilisé comme liquide de refroidissement principal pour éliminer la chaleur produite par la fission nucléaire dans le cœur du réacteur.
Contrairement aux réacteurs refroidis à l’eau, qui sont plus courants, les réacteurs refroidis au gaz présentent certaines caractéristiques distinctives qui les rendent attractifs dans certaines applications.
La conception du GCR est basée sur l'idée d'utiliser un gaz inerte comme caloporteur pour transférer la chaleur du cœur du réacteur à travers des échangeurs de chaleur, où elle est convertie en énergie électrique ou utilisée à d'autres fins, comme la production de vapeur. usine. De plus, les réacteurs GCR utilisent souvent des modérateurs en graphite pour ralentir les neutrons, permettant ainsi une fission plus efficace.
Essentiellement, le GCR combine les avantages du refroidissement des gaz avec la modération des neutrons par graphite pour des performances optimales.
Exploitation d'un réacteur nucléaire refroidi au gaz
Le fonctionnement d’un réacteur refroidi au gaz peut se décomposer en plusieurs étapes clés :
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Fission nucléaire : Comme dans d'autres types de réacteurs nucléaires, la fission nucléaire est le processus principal dans un GCR. Les noyaux atomiques lourds, comme l'uranium 235 ou le plutonium 239, se divisent en noyaux plus petits lorsqu'ils sont bombardés par des neutrons. Ce processus libère une grande quantité d’énergie sous forme de chaleur.
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Modération et contrôle : Les neutrons produits lors de la fission doivent être modérés ou ralentis pour maintenir la réaction en chaîne. Dans les réacteurs GCR, le graphite est utilisé comme modérateur pour y parvenir. De plus, des contrôles de réaction nucléaire, tels que des barres de contrôle de neutrons, sont utilisés pour réguler le taux de fission et garantir que le réacteur fonctionne en toute sécurité.
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Transfert de chaleur : La chaleur générée dans le cœur du réacteur est transférée au gaz de refroidissement, généralement de l'hélium ou du dioxyde de carbone. Ce gaz chaud est transporté à travers des échangeurs de chaleur qui sont en contact avec de l'eau ou un autre fluide secondaire. Le transfert de chaleur convertit l’eau ou un fluide secondaire en vapeur, qui est ensuite utilisée pour faire tourner des turbines et produire de l’électricité.
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Production d'électricité : L'électricité est générée par un générateur couplé à des turbines entraînées par la vapeur produite. Cette électricité est ensuite transmise au réseau électrique et distribuée aux consommateurs.
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Cycle de refroidissement : après le transfert de chaleur, le gaz caloporteur est refroidi et recyclé vers le cœur du réacteur, où le cycle se répète.
Avantages
Les réacteurs nucléaires refroidis au gaz offrent plusieurs avantages significatifs par rapport aux autres modèles de réacteurs, ce qui les rend attrayants pour diverses applications :
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Efficacité thermique supérieure : grâce à l'utilisation d'un gaz inerte comme liquide de refroidissement, les réacteurs GCR peuvent fonctionner à des températures plus élevées que les réacteurs refroidis à l'eau, augmentant ainsi l'efficacité thermique et la production d'électricité.
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Plus de sécurité : les gaz utilisés comme réfrigérants dans les GCR sont non corrosifs et ininflammables, ce qui contribue à un environnement plus sûr. De plus, les conceptions des réacteurs GCR incluent souvent des systèmes de sécurité passive qui peuvent atténuer les effets d'un accident.
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Moins de déchets radioactifs : les réacteurs GCR produisent généralement moins de déchets hautement radioactifs que les autres modèles, ce qui les rend plus faciles à gérer et à stocker à long terme.
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Flexibilité du combustible : les réacteurs refroidis au gaz peuvent utiliser une variété de combustibles nucléaires, notamment de l'uranium enrichi, de l'uranium appauvri et du plutonium, offrant ainsi une flexibilité dans l'approvisionnement en combustible.
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Applications diverses : Outre la génération d’énergie électrique, ce type de réacteur peut être utilisé dans des applications industrielles, comme la production d’hydrogène ou le dessalement de l’eau.
Désavantages
Malgré les avantages mentionnés ci-dessus, les réacteurs nucléaires refroidis au gaz présentent également des inconvénients et des considérations importants :
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Coûts initiaux : La construction de réacteurs GCR peut être coûteuse en raison de la haute résistance des matériaux et de la complexité de la conception.
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Sûreté opérationnelle : Bien que les réacteurs GCR présentent des caractéristiques de sécurité inhérentes, la gestion des déchets radioactifs et la sécurité opérationnelle restent des préoccupations cruciales.
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Développement technologique : malgré les progrès réalisés dans la conception des réacteurs nucléaires refroidis au gaz, des progrès technologiques supplémentaires sont encore nécessaires pour atteindre leur plein potentiel et garantir la sûreté.
Origine et évolution du développement des GCR
Selon la classification établie par l'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) des Nations Unies, cette catégorie de réacteurs comprend ceux dits réacteurs à gaz avancés, ou AGR (acronyme de Advanced Gas-cooled Reactor en anglais), ainsi que les réacteurs Magnox (dérivé de Magnésium Non Oxydant) de technologie britannique.
Dans l'histoire de l'énergie nucléaire, on mentionne également un type de réacteur GCR d'origine française, appelé UNGG (pour son acronyme français, Uranium Naturel Graphite Gaz). Cependant, cette dernière est considérée comme complètement obsolète et il n’existe actuellement aucune centrale nucléaire opérationnelle dans le monde utilisant cette conception. Les réacteurs UNGG représentent la première génération de réacteurs nucléaires en France et sont apparus suite aux événements de la Seconde Guerre mondiale.
Les différences fondamentales entre les modèles de réacteur à gaz avancé (AGR), Magnox et UNGG résident dans le type de combustible utilisé et le revêtement qui entoure les pastilles de combustible. Les réacteurs Magnox et UNGG, développés simultanément, sont les modèles les plus anciens et partagent des similitudes. Tous deux utilisent de l'uranium naturel comme combustible nucléaire. La distinction entre eux réside dans le matériau de gainage entourant les pastilles de combustible : les réacteurs Magnox utilisent un alliage magnésium-aluminium, tandis que les réacteurs UNGG utilisent un alliage magnésium-zirconium.
En revanche, la nouvelle génération de réacteurs GCR, appelés ACR (Advanced Gas-cooled Reactor), utilise de l'uranium enrichi comme combustible. Cette différence dans le type de combustible constitue une avancée significative dans la technologie des réacteurs à gaz refroidis, car l’uranium enrichi permet des performances plus efficaces en termes de production d’électricité.