Un réfrigérant dans un réacteur nucléaire est une substance liquide ou gazeuse qui traverse le cœur du réacteur et élimine la chaleur de la réaction de fission nucléaire.
Les centrales électriques qui utilisent l'énergie nucléaire pour obtenir de l'énergie électrique génèrent une grande quantité d'énergie thermique. La chaleur générée doit être dissipée car sinon la température du réacteur augmenterait tellement qu'elle pourrait fondre.
Dans les réacteurs de puissance à double circuit, le liquide de refroidissement du réacteur pénètre dans le générateur de vapeur qui produit de la vapeur qui entraîne les turbines. D'autre part, dans les réacteurs à circuit unique, le fluide frigorigène (vapeur ou gaz) peut servir de fluide de travail du cycle de turbine.
Dans la recherche (par exemple, la science des matériaux) et les réacteurs spéciaux (par exemple, dans les réacteurs pour l'accumulation d'isotopes radioactifs), le liquide de refroidissement ne refroidit que le réacteur, la chaleur résultante n'est pas utilisée.
Le liquide de refroidissement dans une centrale nucléaire et les barres de commande sont deux des systèmes de sécurité les plus importants dans une centrale nucléaire.
Quelles sont les exigences en matière de réfrigérant nucléaire?
Un réfrigérant nucléaire doit répondre aux exigences suivantes :
-
Faible absorption des neutrons (dans les réacteurs thermiques) ou affaiblissement de ceux-ci (dans les réacteurs à neutrons rapides). L'objectif est de réduire l'énergie thermique mais pas de réduire la puissance du réacteur.
-
Résistance chimique dans des conditions d'exposition intense aux rayonnements.
-
Faible corrosivité vis-à-vis des matériaux de structure avec lesquels le liquide de refroidissement est en contact.
-
Coefficient de transfert de chaleur élevé pour que la chaleur s'écoule rapidement du réacteur vers les atomes du liquide de refroidissement.
-
Chaleur spécifique élevée.
-
Basse pression de service à haute température.
Types de réfrigérants nucléaires
Les réfrigérants nucléaires utilisés dans un réacteur varient selon le type de réacteur nucléaire :
-
Les réacteurs à neutrons thermiques utilisent de l'eau (normale et lourde), de la vapeur d'eau, des liquides organiques, du dioxyde de carbone comme fluide caloporteur.
-
Les réacteurs nucléaires rapides utilisent des métaux liquides (principalement du sodium) et également des gaz (par exemple de la vapeur d'eau, de l'hélium). Souvent, le liquide sert de réfrigérant, qui est également un modérateur de neutrons.
Eau claire
L'eau est l'un des caloporteurs les plus courants. L'eau naturelle contient une petite quantité d'eau lourde (0,017 %), diverses impuretés et des gaz dissous. La présence d'impuretés et de gaz rend l'eau chimiquement active avec les métaux. Par conséquent, avant de l'utiliser comme caloporteur, l'eau est purifiée des impuretés par distillation et les gaz sont éliminés de l'eau.
De l'eau radioactive circule dans le circuit primaire de la centrale nucléaire. La principale source de radioactivité dans l'eau sont les impuretés, dont l'apparition dans l'eau est due à la corrosion des nœuds du circuit primaire et à la contamination technologique par des substances fissiles sur la surface externe des éléments combustibles. La concentration d'impuretés radioactives dans l'eau est réduite par filtration.
Avantages et inconvénients de l'utilisation de l'eau légère comme réfrigérant nucléaire
Les inconvénients de l'utilisation de l'eau comme fluide caloporteur sont le faible point d'ébullition (100°C à une pression de 1 atm) et l'absorption des neutrons thermiques. Le premier inconvénient est éliminé en augmentant la pression dans le circuit primaire. L'absorption des neutrons thermiques par l'eau est compensée par l'utilisation de combustible nucléaire à base d'uranium enrichi.
Eau lourde
L'eau lourde dans ses propriétés chimiques et thermiques est un peu différente de l'eau ordinaire. Il n'absorbe pratiquement pas les neutrons, ce qui permet d'utiliser l'uranium naturel comme combustible nucléaire dans les réacteurs nucléaires avec modérateur à eau lourde.
Cependant, l'eau lourde est encore peu utilisée dans la construction des réacteurs en raison de son coût élevé.
Le réacteur à eau bouillante (REB) est un exemple de réacteur qui utilise de l'eau lourde comme réfrigérant.
Métaux liquides
Parmi les liquides de refroidissement métalliques, le sodium est le plus développé.
Ce réfrigérant est chimiquement actif avec la plupart des métaux à une température relativement basse, et cette activité du sodium est due au mélange des oxydes de sodium. Ainsi, le sodium est complètement nettoyé des oxydes, après quoi il ne réagit pas avec de nombreux métaux (Mo, Zr, acier inoxydable, etc.) à 600-900 ° C.
Liquides organiques
Parmi les liquides organiques testés, certains des polyphényles, y compris le diphényle et le triphényle, se sont avérés les plus stables dans des conditions de températures élevées et d'exposition aux rayonnements.
Cependant, malgré les avantages, ces réfrigérants se sont avérés trop instables à l'irradiation neutronique, de sorte que ces réacteurs n'ont pas été utilisés industriellement.
Gaz
Le principal réfrigérant dans le gaz est le dioxyde de carbone. Il est économique, caractérisé par une densité et une capacité calorifique volumétrique plus élevées que les autres gaz. L'effet corrosif du dioxyde de carbone sur les métaux dépend de la teneur en oxygène.
Le réacteur refroidi au gaz (GCR) est le type de réacteur qui utilise ce réfrigérant nucléaire.