Le réacteur nucléaire

Le réacteur nucléaire

Un réacteur nucléaire est une installation capable d'initier, de contrôler et de maintenir des réactions nucléaires (généralement une fission nucléaire) en chaîne qui se produisent au cœur de cette installation.

La composition du réacteur nucléaire est constituée du combustible nucléaire, du réfrigérant, des éléments de contrôle, des matériaux de structure et, dans le cas d’un réacteur nucléaire, du modérateur nucléaire.

Pour construire un réacteur nucléaire, il est nécessaire de disposer de suffisamment de combustible nucléaire, appelé masse critique. Avoir une masse critique suffisante signifie avoir suffisamment de matière fissile dans des conditions optimales pour maintenir une réaction en chaîne de fission nucléaire.

La disposition des absorbants neutroniques et des barres de contrôle permet de contrôler la réaction en chaîne ainsi que l'arrêt et le démarrage du réacteur nucléaire.

Dans le cœur du réacteur, la réaction nucléaire en chaîne est produite et maintenue dans le but de chauffer l'eau qui sera utilisée pour entraîner les turbines de la centrale.

Le premier réacteur nucléaire de l'histoire de l'énergie nucléaire a été conçu et lancé par le prix Nobel de physique Enrico Fermi sous les gradins du terrain de rugby de l'Université de Chicago, le 2 décembre 1942. Il n'était que d'un demi-watt mais cela a permis de démontrer qu’un réacteur nucléaire était techniquement possible. Il a été utilisé comme installation pilote pour les réacteurs conçus pour fabriquer du plutonium pour la bombe atomique du projet Manhattan de la Seconde Guerre mondiale.

Classification des réacteurs nucléaires

Les réacteurs nucléaires peuvent être classés comme:

  • Réacteurs nucléaires thermiques.
  • Réacteurs nucléaires rapides.

Les réacteurs nucléaires thermiques sont ceux qui fonctionnent en ralentissant (modérant) les neutrons les plus rapides ou en augmentant la proportion d'atomes fissiles. Pour ralentir ces neutrons, appelés neutrons lents, vous avez besoin d’un modérateur nucléaire qui peut être de l’eau légère, de l’eau lourde ou du graphite.

Les réacteurs nucléaires rapides sont ceux qui n'ont pas besoin de modérer la vitesse des électrons et d'utiliser des neutrons rapides. Un réacteur nucléaire rapide n'a pas besoin de modérateur de neutrons, mais il doit utiliser un combustible relativement riche en matière fissile par rapport à celui requis par un réacteur nucléaire thermique.

Composants du réacteur nucléaire

Un réacteur nucléaire est constitué des composants suivants:

Combustible nucléaire

Combustible nucléaire.  Comprimés d'uraniumLe combustible nucléaire est un matériau capable de fission suffisamment pour atteindre la masse critique, c'est-à-dire pour maintenir une réaction nucléaire en chaîne. Il est placé de sorte que l’énergie thermique produite par cette réaction nucléaire chaînée puisse être rapidement extraite.

Les centrales nucléaires utilisent du combustible nucléaire solide. Les combustibles nucléaires varient en fonction du type de réacteur, mais les dérivés de l'uranium sont généralement utilisés.

En général, un élément combustible est constitué par une disposition quadrangulaire des barres de combustible. Bien que le réacteur à eau sous pression russe VVER soit constitué d’un arrangement hexagonal.

Les tubes de guidage sont fixés aux grilles de support de carburant, ce qui permet de maintenir les centres des barres de combustible et les tubes de guidage à la même distance.

La conception mécanique des différents éléments combustibles est identique. Certains contiennent des faisceaux de barres de commande et d'autres contiennent des poisons consommables ou des sources de neutrons.

Barres de combustible nucléaire

Barres de combustible nucléaire

Ils sont le lieu physique où le combustible nucléaire est confiné. Certains crayons de combustible contiennent de l'uranium mélangé à de l'aluminium sous forme de feuilles plates séparées d'une certaine distance permettant à la circulation du fluide de dissiper la chaleur générée.

Les assiettes sont placées dans une sorte de boîte qui sert de support.

Coeur de réacteur

Il est constitué par les barres de combustible. Le coeur 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 avec de l’eau, à une profondeur de 10 à 12 mètres, ou dans un récipient sous pression en acier.

Tiges de contrôle

Les faisceaux de barres de commande constituent un moyen rapide de contrôler la réaction en chaîne de fission nucléaire. Ils permettent des changements rapides de puissance du réacteur et son arrêt éventuel en cas d'urgence. Les barres de commande sont constituées de matériaux absorbant les neutrons (carbure de bore ou alliages d'argent, indium et cadmium, entre autres) et ont généralement les mêmes dimensions que les éléments combustibles. La réactivité du noyau augmente ou diminue en augmentant ou en abaissant les barres de commande, c'est-à-dire en modifiant la présence de matériau absorbant les neutrons contenu dans le noyau.

Pour qu'un réacteur nucléaire fonctionne pendant un certain temps, il doit avoir un excès de réactivité, qui est maximal avec le combustible neuf et diminue avec la durée de vie du réactif jusqu’à son annulation. En ce moment, le combustible nucléaire est rechargé.

Réacteur nucléaire

En fonctionnement normal, les barres de commande d’un réacteur nucléaire sont totalement ou partiellement extraites du cœur. La conception des centrales nucléaires est telle qu’en cas de défaillance d’un système de sûreté ou d’un système de contrôle du réacteur, on agit toujours dans le sens d’une sécurité maximale en introduisant complètement toutes les barres de commande dans le cœur du réacteur. Cette action amène le réacteur nucléaire à un arrêt sûr en quelques secondes.

Modérateur nucléaire

Les neutrons résultant d'une réaction de fission nucléaire ont une énergie cinétique élevée (ils acquièrent beaucoup de vitesse). Plus votre vitesse est élevée, moins vous risquez de fissioner d'autres atomes. Vous devez donc réduire cette vitesse pour encourager de nouvelles réactions en chaîne.

La réduction de l'énergie cinétique des neutrons est obtenue par des collisions élastiques des neutrons avec les noyaux de l'élément jouant le rôle de modérateur.

Parmi les modérateurs les plus utilisés, on trouve l'eau légère, l'eau lourde et le graphite.

Soda

Afin de tirer parti de l’énergie thermique dégagée par les réactions de fission nucléaire, un réfrigérant est utilisé. La fonction du réfrigérant est d’absorber cette énergie thermique et de la transporter. Le liquide de refroidissement doit être anticorrosif, à haute capacité calorifique et ne doit pas absorber de neutrons.

Les réfrigérants les plus courants sont les gaz tels que le dioxyde de carbone et l'hélium, et les liquides tels que l'eau légère et l'eau lourde. Il existe même des composés organiques et des métaux liquides tels que le sodium, qui sont également utilisés pour cette fonction.

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 avec l'existence d'un réflecteur qui les redirige dans la région de réaction. De cette façon, l'efficacité du réacteur nucléaire est augmentée. Le réflecteur qui entoure le noyau doit avoir une section efficace de capture faible afin de ne pas réduire le nombre de neutrons et d’en refléter autant que possible.

Le choix du matériau du réflecteur dépend du type de réacteur nucléaire. Si nous avons un réacteur thermique, le réflecteur peut être le modérateur nucléaire, mais si nous avons un réacteur nucléaire rapide, le matériau du réflecteur doit avoir une grande masse atomique pour que les neutrons se reflètent dans le noyau avec leur vitesse initiale (dispersion in-élastique) .

Blindage

Lorsque le réacteur est en fonctionnement, une grande quantité de rayonnement est générée. Une protection est nécessaire pour isoler les travailleurs de l'installation de la radioactivité causée par les produits de fission.

Par conséquent, un bouclier biologique est placé autour du réacteur pour intercepter ces émissions radioactives.

Les matériaux les plus couramment utilisés pour construire cette armure sont le béton, l'eau et le plomb.

Usages des réacteurs nucléaires

La technologie des réacteurs nucléaires a commencé à se développer à des fins militaires, mais à partir des années 1950, elle a commencé à se diversifier à des fins civiles, notamment pour la production d'énergie électrique.

Ces dernières années, en raison des problèmes de durabilité posés par les combustibles fossiles dans les centrales thermiques et de l’indépendance qu’ils représenteraient vis-à-vis des énergies renouvelables telles que l’énergie solaire; Les réacteurs à fission nucléaires ont suscité un intérêt croissant, puis les réacteurs à fusion nucléaire en tant que moyen d’obtenir de l’énergie électrique.

L'inconvénient est que la recherche sur la fusion nucléaire est très coûteuse, car elle inclut des installations très coûteuses qui ne donnent pas de résultats immédiats. Les projets ont donc un caractère international (comme le projet ITER) entre plusieurs pays très riches et technologiquement très développés. . Les ressources économiques disponibles ne sont pas les mêmes que celles utilisées pour les enquêtes militaires.

Les applications des réacteurs de fission nucléaires sont essentiellement comprises dans:

  • Production de chaleur (énergie thermique) utilisée directement ou pour produire de la vapeur à partir d’eau. La vapeur d'eau générée est utilisée pour obtenir des travaux mécaniques (turbine), pour produire de l'eau douce à partir d'eau de mer (dessalement), pour produire de l'hydrogène par électrolyse à haute température, etc. Le travail mécanique peut être  utilisé directement ou pour produire de l'énergie électrique avec un alternateur (centrale nucléaire), 
  • Propulsion navale de brise-glace, de sous-marins nucléaires, de porte-avions militaires, etc. Il est également envisagé de les utiliser pour la propulsion de fusées.
  • Production de plutonium, pouvant être utilisé à des fins militaires, telle que des bombes atomiques ou non, telle que du combustible MOX, à base d'oxydes de plutonium et d'uranium appauvri et pouvant être utilisée dans certains réacteurs REP. Dans ce dernier cas, le concept est en principe l'inverse: dans les années 90, ils commencent à créer des centrales nucléaires utilisant comme combustible du combustible nucléaire des déchets nucléaires provenant d'autres centrales nucléaires, qui se révèlent être du plutonium (le MOX d'environ 7%). ) et l’uranium "appauvri" (MOX environ 93%) résultant du processus d’enrichissement de l’uranium.
  • Production d'isotopes radioactifs, utilisés dans la construction (americio de détecteurs de fumée), en médecine (Cobalt-60), dans la recherche, etc.
  • Production de neutrons libres utilisés en recherche et en médecine.
  • Production de bombes à neutrons, utilisées à des fins militaires.

La construction de grands réacteurs finit toujours par nécessiter plus de temps et d’argent que prévu initialement.

Les réacteurs de fusion nucléaire sont tous encore en phase de recherche et développement, l’une des applications futures les plus importantes attendues de ces derniers est la production d’électricité.

réacteur à fusion nucléaire

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Dernier examen: 24 décembre 2018