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Les Principes des réacteurs nucléaires

 

La source d'énergie

Le principe de la fission a été mis en évidence au début des années 1930, et la possibilité de “réaction en chaîne” , en 1939, par Frédéric Joliot, qui en a déposé plusieurs brevets. Ces phénomènes physiques libèrent une énorme quantité d'énergie.

La fission.

Principes de la Fission

Lorsque certains noyaux lourds dits « fissiles » comme l’uranium 235 ou l’uranium 233 (dans un cycle au thorium) sont touchés par un neutron ayant la bonne vitesse (entre 2000 et 20000 m/s), ce noyau peut éclater en donnant chacun deux noyaux plus légers : c’est la fission.
La fission nucléaire consiste à casser le noyau d’atomes lourds au moyen de neutrons. Quand ces neutrons sont eux-mêmes issus de précédentes fissions on obtient alors une réaction en chaîne.
Simultanément à la formation de deux noyaux plus légers, un peu plus de deux nouveaux neutrons sont émis ; leur vitesse (donc leur énergie cinétique) est très élevée, comme d’ailleurs celle des fragments du noyau initial. L’énergie libérée par la fission est donc majoritairement une énergie cinétique.
Le résultat de la fission d’un noyau lourd est constitué de deux noyaux dont la masse totale est inférieure à la masse initiale du noyau fissionné. La différence des masses correspond à l’énergie libérée dans le fluide, suivant la célèbre formule d’Einstein E = mc2. Ou plus exactement ici, si m0 est la masse du noyau initial et m1 et m2 les masses respectives des deux nouveaux noyaux, l’énergie libérée ∆E = (m0 - m1 - m2) c2, où « c » est la vitesse de la lumière dans le vide (approximativement 300 000 km/s).
La valeur de l’énergie libérée par la fission d’un seul atome est supérieure à 200 millions d’électrons-volts (MeV) - unité d'énergie adaptée à l’échelle atomique. Elle se transforme en chaleur quand les particules s’arrêtent par collisions successives.

Par comparaison, une réaction de combustion du carbone et de l’oxygène (un atome de carbone avec deux atomes d’oxygène) représente une énergie de 3,5 électrons-volts par atome de carbone.

 La réaction en chaine

Réaction en chaîne

La fission des différents atomes présente des caractéristiques très variables, qui les rendent plus ou moins aptes à entretenir la réaction en chaîne de la fission. D’abord, certains atomes n’absorbent pas le neutron et, consécutivement, ne fissionnent pas ; ou bien ils vont absorber le neutron sans fissionner ; ou bien vont absorber le neutron, puis fissionner. Dans ce cas, certains émettent plus de 2 neutrons, d’autres moins de deux neutrons.

Lorsque le noyau lourd n’est pas fissile, le neutron peut alors soit rebondir sur lui ou être capté. Dans ce dernier cas, il peut apparaître un nouvel élément fissile : dans ce cas, le noyau initial est appelé fertile. C’est ainsi que se forme le plutonium, dans le combustible de la plupart des réacteurs, à partir de l’uranium 238, isotope principal de l’uranium naturel. Le rôle de ce plutonium est très important : dès sa formation il participe aux réactions de fission dans le cœur. Ainsi, dans la plupart des réacteurs chargés à l’uranium, 40% de l’énergie produite provient de celui qui s’est formé au cours du fonctionnement.

Réacteur

La mise en œuvre pratique des principes rappelés ci avant, est la raison d’être des différents réacteurs nucléaires, qui doivent donc comporter les composants suivants :

  • des noyaux fissiles en quantité suffisante, le plus souvent dispersés dans une matrice fertile. Si l'on emploie de l'uranium, il est usuel de l'enrichir en atomes U235 fissiles, la matrice en uranium naturel n'en contenant pas suffisamment, il serait alors difficile d’entretenir une réaction en chaîne.
  • un modérateur (solide ou liquide) dont le but est de ramener les neutrons de leur vitesse d’éjection à une valeur propice à la fission,
  • un fluide caloporteur capable d'évacuer la chaleur produite dans le réacteur vers la turbine sous forme de vapeur,
  • différents systèmes permettant la mise en œuvre de la fission et assurant la sûreté de fonctionnement :
    • -un réflecteur pour éviter la fuite des neutrons,
    • -tous les matériaux de structure pour rassembler ces composants, et les confiner,
    • -des organes de mesure du phénomène et de contrôle de la réaction en chaîne.


Pour utiliser l’énergie produite, on accouple le réacteur à une installation conventionnelle de transformation de l’énergie thermique en électricité : générateur de vapeur, turbo-alternateur, et tous les auxiliaires électriques nécessaires pour alimenter le réacteur et tous ses actionneurs. Ces moyens sont diversifiés pour garantir la sûreté d’approvisionnement électrique des auxiliaires du réacteur (y compris des sources diesel d’électricité de secours).

 

 

 02/2021

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