Les Principes des réacteurs nucléaires

Principe de la fission

 

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).

Rappelons ces notions.

Principes de la Fission (source EDF)

 

S’il arrive qu’un noyau lourd (uranium ou thorium par exemple) soit touché par un neutron, ce noyau peut éclater en deux noyaux plus légers : c’est la fission. Simultanément, 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. C’est l’énergie de la fission. Elle se transforme en chaleur quand les particules s’arrêtent par collisions successives. Sa valeur est supérieure à 200 millions d’électrons-volts, unité d'énergie adaptée à l’échelle atomique.

Par comparaison, une réaction de combustion du carbone et de l’oxygène (un atome de carbone avec deux atomes d’oxygène) représenterait 3,5 électrons-volts par atome de carbone.
Paradoxalement, l'explosion du noyau est plus facile quand le neutron incident a une énergie réduite à une valeur proche de l'électron-volt, à laquelle il arrive après de nombreuses collisions. Après une fission, les neutrons tendent à s'enfuir loin de leur source.

Réaction en chaîne (source EDF)

Lorsque le noyau lourd n’est pas fissile, le neutron peut être simplement capté : il apparaît un nouvel élément qui peut être fissile : en 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, 40% de l’énergie produite provient de lui.


 

Réacteur

Pour construire un réacteur, il faudra réunir les composants suivants :

  •  un massif suffisant de noyaux fissiles, le plus souvent dispersés dans une matrice fertile. Si l'on emploie de l'uranium, il est usuel de l'enrichir en atomes 235U fissiles, la matrice en uranium naturel n'en contenant pas suffisamment. Ce massif constitue la « masse critique »,
  • un matériau appelé modérateur dont le but est de ramener les neutrons de leur vitesse initiale à la valeur adaptée pour la fission,
  • un réflecteur pour éviter la fuite des neutrons,
  • un fluide capable d'évacuer vers l'utilisateur l'énergie récupérée,
  • 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 animer 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)