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Un réacteur nucléaire est un dispositif dans lequel a lieu une réaction en chaîne nucléaire contrôlée libérant de l'énergie. Les réacteurs nucléaires sont utilisés dans les centrales nucléaires pour produire de l’électricité, ainsi que dans les navires ou les sous-marins à propulsion.

Il existe également des réacteurs produisant des isotopes à des fins médicales et industrielles, des réacteurs pour la production de plutonium de qualité militaire et des réacteurs destinés uniquement pour la recherche.

L'énergie est libérée dans les réacteurs nucléaires sous forme de chaleur. Cette chaleur peut être convertie sous forme d'énergie qui peut être utilisée par la société. Dans une centrale nucléaire typique, cela peut être aussi simple que de faire bouillir de l'eau pour produire de la vapeur qui fait tourner les turbines pour alimenter les générateurs électriques.

La première centrale nucléaire commerciale a été ouverte en 1956 à Sellafield, en Angleterre et avait une capacité initiale de 50 MW. La figure ci-dessous montre les principaux composants d'une centrale nucléaire typique:
Légende: (A) Structure de confinement, (B) Barres de contrôle, (C) Cœur du réacteur, (D) Générateur de vapeur, (E) Conduite de vapeur, (F) Turbine à vapeur, (G) Générateur, (H) Electricité pour les consommateurs, (I) Condenseur, (J) Pulvérisateur, (K) Vapeur d'eau, (L) Tour de refroidissement.

La réaction en chaîne dans un réacteur nucléaire est très précise, c’est-à-dire critique, de sorte que, en moyenne, un seul neutron issu d’une fission d’un noyau conduit à la fission d'un autre noyau. Pour ce faire, le cœur du réacteur contient plusieurs composants qui sont utilisés pour maintenir ces conditions de criticité.

Les neutrons libérés dans la fission possèdent environ 1-2 MeV d'énergie. Ces neutrons rapides ont une très faible probabilité de causer la fission de 235U et donc ces neutrons vont passer par beaucoup de noyaux avant d'être absorbés par l'un d'eux et induire une fission. Une solution consiste à les ralentir, de telle sorte qu'ils aient une énergie de l'ordre d'une fraction d’eV.

On peut imaginer qu’une probabilité plus élevée découle du fait que les neutrons lents passent plus de temps en contact avec le noyau d'uranium. Nous appelons de tels neutrons neutrons thermiques, parce que leurs énergies cinétiques sont proches de celles des molécules dans l'air présentes dans notre environnement. Par exemple, afin de ralentir les neutrons dans un réacteur de fission, on remplit les vides entre le matériau fissile avec ledit modérateur, par exemple de l'eau ou du graphite.

Un réacteur qui thermalise les neutrons est appelé réacteur thermique. Le schéma de droite montre les composants principaux (1-3) du et des processus (A-D) dans un réacteur thermique: (1) barre de combustible, (2) modérateur (3) barre de contrôle, (A) la fission, (B) modération, (C) absorption, (D) capture.

Lorsqu’un neutron entre en collision avec un noyau, le neutron peut se disperser dans n'importe quelle direction, y compris en dehors de la zone active. Par conséquent, entourer le matériau fissile à l’aide d'une substance non-absorbante qui dispersera les neutrons arrière augmentera le nombre de collisions possibles.

Cette animation illustre l'effet des réflecteurs de neutrons.
Un tel matériau entourant la matière fissile dans les réacteurs nucléaires est appelé un réflecteur. Un réflecteur de neutron peut rendre critique une masse de matériel fissile qui, en son absence, est sous-critique.

L'acier, le béryllium ou le graphite sont des matériaux réflecteurs communs. Un réflecteur composé de matériau léger comme le graphite ou le béryllium agira également en tant que modérateur de neutrons, ce qui réduit l'énergie cinétique des neutrons, alors qu’un matériau lourd tel que le plomb aura moins d'effet sur l’énergie des neutrons.

L'animation de gauche illustre l'effet d'un matériau réflecteur.

Nous voudrions avoir une production d'énergie la plus efficace possible. Cependant, si l'efficacité est trop élevée, on pourrait se retrouver avec une explosion nucléaire, une situation à éviter! Les réacteurs nucléaires sont construits de sorte qu'une explosion nucléaire soit impossible. Afin d’atteindre cet objectif, il faut avoir la possibilité d'entraver une réaction en chaîne si elle se développe trop rapidement. Ce résultat est obtenu en divisant la matière fissile en masses inférieures à la masse dite critique, de telle sorte que les neutrons ne puissent pas trouver facilement des noyaux fissiles. L’uranium est alors dit sous-critique.

Cette animation illustre l'effet des barres de contrôle.

Les neutrons peuvent facilement échapper aux surfaces d'uranium, avant que toute accumulation dangereuse d’énergie soit possible. En outre, on peut positionner entre les blocs de matière fissile des barres de contrôle absorbant fortement les neutrons. Plus les barres de contrôle sont insérées profondément entre la matière fissile (barres de combustible), plus il est difficile pour les neutrons produits par la fission d'entrer en collision avec un autre noyau d'uranium, ce qui entraîne une réaction en chaîne plus limitée, et une diminution de la production d'énergie.

L'animation de droite illustre l'effet de barres de contrôle en cadmium dans un réacteur à fission.

La plupart des réacteurs nucléaires thermiques utilisent de l’235U as fuel. comme combustible. Cependant, sa faible abondance naturelle (0,72% de l'uranium naturel, la plus grande partie étant de l'238U) rend la réaction en chaîne impossible lorsque l'uranium est utilisé à l’état naturel. Par conséquent, le combustible du réacteur doit être enrichi en 235U. Le degré d'enrichissement en puissance et recherche des réacteurs nucléaires varie entre 2% à 40%. Dans les réacteurs plus âgés, en particulier ceux des sous-marins, l'enrichissement pourrait même dépasser 90%.

Le combustible peut être préparé sous la forme de pastilles d’UO2, de quelques centimètres d'épaisseur. Ces pastilles sont disposées sous forme de barres de combustible. On peut également utiliser divers alliages d'uranium et d'autres métaux, par exemple d’aluminium. On a proposé récemment l'utilisation d’éléments de combustible nucléaire sphériques spécialement conçus.

Il existe également des réacteurs utilisant des neutrons rapides. Dans de tels réacteurs, l'absorption d'un neutron par l’238U conduit à la formation de 239Pu fissile. Cet isotope du plutonium peut être extrait du combustible brûlé et utilisé pour la production de ce qui est appelé combustible MOX contenant les deux matières fissiles, 235U and 239Pu.

Les réacteurs utilisant l'eau comme modérateur et caloporteur sont de loin les plus populaires. Les réacteurs à eau pressurisée (PWR pour pressurized water reactor en anglais ou VVER en version russe) sont de ce type. De la même façon que la pression dans un autocuiseur fait monter l’ébullition de l'eau, c’est également ce qui se produit dans un PWR ... sauf que la pression est immense, environ 15 MPa, de sorte que l'eau dans le circuit primaire atteint des températures aussi élevées que 600 K sans bouillir! Ce qui bout dans les générateurs de vapeur est de l'eau d'un circuit secondaire à laquelle est transférée la chaleur du circuit primaire. Dans une autre version, le réacteur à base d'Uranium naturel modéré à l'eau lourde (en anglais Pressurized Heavy Water Moderated Reactor (PHWR)), utilise de l'eau lourde (D2O) comme modérateur. Il existe aussi les réacteurs à eau bouillante (en anglais Boiling Water Reactors (BWR)), dans lesquels l'eau bout directement à l'intérieur du réacteur.

Il existe d'autres types de réacteurs utilisant les neutrons thermiques:

Les réacteurs refroidis au gaz dans lequel le dioxyde de carbone (CO2) ou l'hélium sont utilisés pour le refroidissement. Le gaz est pompé à travers les canaux du modérateur de graphite.

Le Réacteur Canadien à Deutérium-Uranium (CANDU) dans lequel l'eau lourde joue le rôle de modérateur et de réfrigérant. En raison de la faible perte de neutrons en D2O, ces réacteurs peuvent utiliser l'uranium naturel comme combustible.

Schéma d'un réacteur CANDU: 1 - grappe de combustible, 2 - cœur du réacteur, 3 - barres de contrôle, 4 - D2O citernes sous pression, 5 - générateur de vapeur, 6 - pompe à eau, 7 - pompe D2O, 8 - Machine à manutention de combustible, 9 - D2O modérateur, 10 - tube de pression, 11 - vapeur à turbine, 12 - eau froide de la turbine, 13 - enceinte de confinement (Crédits image: Creative Commons)

Le Réacteur de grande puissance à tubes de force (RBMK) modéré par du graphite était populaire dans l'ex-Union soviétique, car il pouvait servir pour la production de plutonium de qualité militaire (239Pu). Ce type de réacteur a été impliqué dans l'accident de Tchernobyl en 1986.

Les réacteurs nucléaires peuvent utiliser des neutrons rapides d’une énergie de 50-100keV. Ces réacteurs ne possèdent généralement pas de modérateurs et peuvent produire efficacement du 239Pu fissile pouvant ensuite être réutilisé comme combustible. Ils peuvent être refroidis par de l'hélium ou du sodium liquide et peuvent être très compacts pour être utilisés par exemple sur des sous-marins. SUPERPHENIX est une centrale française dotée d’un réacteur à neutrons rapides, elle a fonctionné de 1985 à 1997. Un autre réacteur similaire, mais pas identique, un surgénérateur (réacteur qui produit son propre carburant) est opérationnel à Sverdlovsk en Russie depuis 1981.

La plupart des réacteurs actuellement exploités sont de la 2ème génération. Des réacteurs très sûrs de la 3ème génération ont été conçus récemment, et les réacteurs de 4ème génération sont déjà prévus. Dans cette dernière catégorie, on peut s'attendre à des réacteurs refroidis à l'eau et au gaz, ainsi que divers réacteurs à neutrons rapides.

Un projet particulièrement intéressant implique un réacteur à gaz à haute température avec un noyau composé de 330 000 éléments combustibles sphériques, de 60mm de diamètre, chacun composé d'environ 15 000 grains d’UO2.

Chaque grain, d’un diamètre de 0,5 mm, est recouvert par un certain nombre de couches de haute densité, notamment d’une couche de silicium-graphite céramique arrêtant les fragments de fission. Le flux de neutrons, la distribution d'énergie thermique et la température au cœur de ce type de réacteur est déterminée par quelques 100 000 sphères de graphite qui sont entremêlées avec les éléments combustibles. Alors que les réacteurs actuels fonctionnent généralement à environ 600 K, les matériaux utilisés dans un tel réacteur permettraient des températures beaucoup plus élevées. Dans ce cas, le liquide de refroidissement du réacteur serait l’hélium. Une fois qu'il atteint une température de 1200 K, le flot d'hélium gazeux déplacerait la turbine à gaz et le générateur d'énergie électrique avec un rendement d'environ 40%. La conception du réacteur est beaucoup plus simple que celle des réacteurs actuellement en exploitation. En outre, les températures élevées auxquelles ils fonctionnent permettent une production d'hydrogène à partir d'eau ou d'autres matériaux sans provoquer de pollution atmosphérique. Les matériaux de construction proposés peuvent supporter des températures aussi élevées que 1900 K, ce qui est très important du point de vue de la sûreté des réacteurs.

En outre, les réacteurs refroidis à l'eau de la 4ème génération offrent également de nouvelles fonctionnalités de sécurité. Westinghouse Electric a travaillé sur l'idée d'un "réacteur international innovant et sécurisé» (appelé IRIS). Sur un tel type de réacteur, l'ensemble du circuit de refroidissement primaire est placé à l'intérieur, empêchant ainsi une perte importante de liquide de refroidissement. On pourrait également faire fonctionner le réacteur à une température et une pression au-dessus du point critique de l'eau, dans des conditions où il n'y a pas de différence entre le gaz et le liquide. L'excellente conductivité thermique de l'eau dans un tel état permettrait d'atteindre une efficacité de 45% et, par le travail réalisé sous une température élevée, produire du combustible d’hydrogène.

Les surgénérateurs refroidis par des métaux liquides offrant une haute conductivité thermique sont également envisagés. Dans ce cas, le liquide de refroidissement serait maintenu sous pression atmosphérique, par conséquent une brusque libération du liquide de refroidissement dans le cas d'une rupture du circuit primaire est exclue. Cependant, les difficultés techniques dans le traitement des métaux liquides ont entravé le développement de ces réacteurs. Ils restent cependant de bons candidats pour l'avenir du cycle du combustible nucléaire durable.

Quelques règles simples sont à respecter afin de maintenir des conditions de sécurité dans un réacteur :
1) Être en mesure de l'arrêter en cas de besoin
2) Garder le cœur recouvert d'eau
3) Gardez le confinement intact
Afin de mettre en pratique ces principes généraux, nous utilisons les lois naturelles de la physique. Si des dispositifs mécaniques sont utilisés, il faut fournir au moins deux types de dispositif, de sorte que le même défaut ne puisse pas apparaître simultanément dans les deux cas.

L'image illustre les dispositifs de sécurité passive: 1 - décharge d’air par convection naturelle, 2 - le réservoir d'eau drainé par gravité, 3 - Evaporation par film d'eau, 4 - enceinte de confinement en acier, 5 - soupape de dépressurisation automatique, 6 - réservoir d'eau de ravitaillement à alimentation par gravité, 7 - refroidissement par l'air extérieur (crédits d'image: Westinghouse 2011). Lors d'une panne d'électricité, l'eau de secours est canalisée vers le cœur du réacteur par gravité et remise en circulation par convection passive et par condensation.

Les réacteurs nucléaires disposent de multiples et redondantes couches de sécurité. La protection biologique autour du réacteur protège les personnes contre les rayonnements ionisants produits dans le cœur du réacteur. L'eau dans les réacteurs PWR ou RELP est soigneusement purifiée (distillée) puisque toutes les impuretés dans l'eau pourraient devenir radioactives pendant le fonctionnement du réacteur. Le réacteur lui-même est généralement entouré par du béton très épais et situé dans une salle construite à cet effet, dont les parois peuvent soutenir la vague de vapeur d'eau sous pression qui se formerait lors un grave accident. En outre, le bâtiment officiel qui abrite la salle du réacteur a également des murs très épais. Les toits, souvent hémisphériques, sont suffisamment solides pour survivre à une chute d'avion. Une attention particulière est accordée à la mécanique et au contrôle du système de refroidissement.

Les systèmes de sûreté du réacteur sont souvent triples, ce qui réduit presque à zéro la probabilité d'une défaillance simultanée de tous les systèmes. C'est pourquoi il y a eu si peu d'accidents dans l'histoire de l'énergie nucléaire. Les accidents de Three Mile Island aux Etats-Unis, de Tchernobyl dans l'ex-URSS et de Fukushima Daiichi au Japon sont en effet des exceptions où les défaillances de systèmes multiples combinées avec de l'erreur humaine ou des cataclysmes naturels ont submergé les systèmes de sécurité en place.

Dernier point, mais non le moindre, un soin particulier est pris à la fois pour les déchets nucléaires et les matières fissiles stockées à proximité du réacteur, pour se protéger contre le vol et l'utilisation abusive de la matière (par exemple pour des armes nucléaires).

Il y a une différence fondamentale entre l'explosion d'une bombe nucléaire et une explosion dans un réacteur nucléaire! En fait, des explosions nucléaires sont en fait impossibles dans un réacteur nucléaire, alors que des explosions ordinaires thermiques (Tchernobyl) et chimiques (Fukushima) sont possibles. Par conséquent, il n'y a pas d'effets tels que d'intenses éclairs de lumière. La principale conséquence de l'explosion du réacteur est le rejet de matières radioactives dans l'atmosphère qui forme alors des retombées radioactives. La répartition des retombées dépendra des conditions météorologiques (vent et pluie en particulier).

L'accident de Tchernobyl a montré que dans le cas d'une catastrophe nucléaire, la contamination du sol peut se propager sur de grandes surfaces, où l'exposition aux rayonnements est alors portée à une fraction du niveau naturel, et ne peut pas conduire à des conséquences graves. C'est différent du cas d'une explosion nucléaire, où de vastes zones peuvent être contaminées au-dessus des niveaux mortels d'exposition.

Qu'en est-il des conséquences d'un attentat terroriste par avion sur une centrale nucléaire? L'enceinte de confinement ne devrait pas subir beaucoup de dégâts dans une telle éventualité, et certainement le cœur du réacteur ne devrait pas être affecté. Cependant, les systèmes de refroidissement et d'alimentation électrique pourraient souffrir en cas de choc. Malgré les dispositifs de sécurité actuels, ce type de dommage pourrait, dans le pire des cas, conduire à une surchauffe et la fusion du cœur du réacteur. Même dans un tel cas, cependant, les matières radioactives resteraient dans la cuve sous pression du réacteur. Ce qui peut être plus dangereux, c'est une attaque réussie sur le dépôt des déchets de haut niveau situé dans la centrale nucléaire. Même si une telle attaque serait difficile en raison des relativement petites dimensions de ces dépôts, elle n’est cependant pas impossible. On peut prévoir que les matières radioactives seraient dispersées après une telle attaque, même si le problème resterait à une échelle locale.