NUCLÉAIRERéacteurs nucléaires

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De nombreuses réactions nucléaires sont exothermiques et l'énergie dégagée est, par unité de masse, environ un million de fois plus grande que dans les réactions chimiques qui, elles, ne font intervenir que les électrons périphériques des atomes ; les chaleurs de réaction s'expriment en millions d'électrons-volts (MeV) par atome pour les premières, en électrons-volts (eV) par atome pour les secondes. Cependant, bien qu'exothermiques, les réactions nucléaires réalisées par exemple en laboratoire à l'aide d'accélérateurs de particules exigent, dans la pratique, la mise en œuvre d'une énergie nettement supérieure à celle qu'elles produisent. Un bilan énergétique positif ne peut être obtenu (pour les conditions connues actuellement) que dans deux cas : la fission, produite dans les réacteurs nucléaires ou les bombes A, dispositifs utilisant le mécanisme de la réaction en chaîne, et la fusion de noyaux légers (déjà réalisée dans les bombes thermonucléaires), dont le réacteur expérimental international I.T.E.R. (International Thermonuclear Experimental Reactor), qui doit entrer en service en 2016 à Cadarache (Bouches-du-Rhône), constitue une étape de démonstration majeure de l'approche par confinement magnétique (cf. énergie thermonucléaire).

Énergie nucléaire

Vidéo : Énergie nucléaire

Composition du noyau atomique. Production d'énergie par fission et par fusion.Le noyau d'un atome est composé de protons et de neutrons unis par des forces nucléaires. L'étude de ces constituants et l'analyse des forces qui les maintiennent unies a permis l'exploitation de l'énergie... 

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Pratiquement, l'énergie résultant de la fission est un dégagement de chaleur. Des réacteurs nucléaires à même de produire cette énergie, à partir de matières dites fissiles, ont connu un développement industriel dès la fin des années 1960, essentiellement pour la production d'électricité. Le renchérissement important du pétrole après la crise de 1973 a grandement renforcé l'intérêt porté à l'énergie nucléaire et a conduit à un développement accéléré des programmes électronucléaires dans bon nombre de pays industrialisés (tabl. 1). En France, en 2007, près de 80 p. 100 de l'électricité produite était d'origine nucléaire.

Puissances électronucléaires installées

Tableau : Puissances électronucléaires installées

Évolution des puissances électronucléaires installées de 1960 à 2006, en mégawatts électriques (entre parenthèses : le nombre de réacteurs). Sont indiquées ici les puissances obtenues en fin d'année (source : C.E.A., Institut de technico-économie des systèmes énergétiques, 2007). 

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La matière première consommée dans les réacteurs nucléaires des différents pays est essentiellement de l'uranium, même si l'Inde qui n'en possède que des quantités limitées met en œuvre une stratégie de développement de l'énergie nucléaire qui valorise au mieux ses ressources importantes en thorium. Le potentiel énergétique de ces matières, très partiellement exploité par les réacteurs nucléaires d'aujourd'hui, pourra être pleinement valorisé dans les réacteurs dits surgénérateurs (à neutrons rapides).

Principes physiques

La réaction en chaîne

Un neutron peut produire la fission des isotopes 233U et 235U de l'uranium et celle des isotopes 239Pu et 241Pu du plutonium, quelle que soit son énergie. Pour les autres noyaux lourds (238U, 232Th, 240Pu... par exemple), la fission n'intervient que si l'énergie du neutron incident dépasse une certaine valeur, le seuil de fission. L'énergie dégagée est d'environ 200 MeV (1 MeV = 1,6 × 10—13 joule).

La fission s'accompagne le plus souvent de l'émission de plusieurs neutrons. Pour un noyau cible et une même énergie du neutron incident, les modes de fission sont multiples et diffèrent par la nature des fragments de fission émis, par l'énergie et le nombre de neutrons produits, etc. ; cette multiplicité se traduit par des caractéristiques de nature statistique. Pour les noyaux fissiles les plus importants, le nombre moyen ν de neutrons produits est compris entre 2,4 et 3 et dépend peu de l'énergie du neutron incident dans la gamme d'énergie qui caractérise les réacteurs à fission (< 10 MeV). Les neutrons ainsi créés ont une certaine probabilité de provoquer à leur tour une fission : d'une génération à la suivante, leur nombre (ou celui des fissions) se trouve multiplié par un facteur k. Selon que k est supérieur, égal ou inférieur à 1, on obtient une réaction en chaîne qui est, respectivement, divergente, stationnaire ou décroissante, et le milieu où se produit cette réaction en chaîne est dit, respectivement, surcritique, critique ou sous-critique.

On appelle réacteur nucléaire un dispositif dans lequel on peut entretenir une réaction en chaîne de fissions. L'appellation pile atomique fut utilisée dans les années 1950 et 1960, car les premiers réacteurs utilisaient un empilement de « briques » d'uranium naturel et de modérateur, comme le graphite.

La valeur de k

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Énergie nucléaire

Énergie nucléaire
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Puissances électronucléaires installées

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Parc électronucléaire mondial par filière

Parc électronucléaire mondial par filière
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Centrale nucléaire de Nogent-sur-Seine, France

Centrale nucléaire de Nogent-sur-Seine, France
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Écrit par :

  • : conseiller scientifique au Commissariat à l'énergie atomique, Fontenay-aux-Roses
  • : directeur adjoint du développement et de l'innovation nucléaire au Commissariat à l'énergie atomique (CEA), ingénieur
  • : membre de l'Académie des sciences
  • : directeur de l'Institut de recherche fondamentale du Commissariat à l'énergie atomique, Gif-sur-Yvette
  • : professeur honoraire à l'université de Paris-VI-Pierre-et-Marie-Curie, haut-commissaire à l'énergie atomique, membre du Conseil économique et social

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Pour citer l’article

Jean BUSSAC, Frank CARRÉ, Robert DAUTRAY, Jules HOROWITZ, Jean TEILLAC, « NUCLÉAIRE - Réacteurs nucléaires », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 15 août 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/nucleaire-reacteurs-nucleaires/