NUCLÉAIRERéacteurs nucléaires

Carte mentale

Élargissez votre recherche dans Universalis

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 dépend non seulement de la composition du milieu fissile, mais également de ses dimensions, à cause de la possibilité qu'ont les neutrons de s'en échapper. La perte relative par fuite diminue en même temps que le rapport entre la surface et le volume du milieu fissile. Pour une composition donnée, k est donc une fonction croissante des dimensions ; il est maximal en milieu infini (noté k). Pour un milieu caractérisé par k > 1, on atteint la taille critique avec les dimensions permettant d'ajuster k à l'unité (k = 1).

En France, F. Joliot et ses collaborateurs avaient mesuré le nombre de neutrons émis par fission et en avaient déduit, dès 1939, la possibilité de réaliser une réaction en chaîne entretenue et de l'utiliser pour la production d'énergie.

La physique neutronique

Les neutrons nés d'une fission ont une énergie cinétique moyenne de 2 MeV. Ils réagissent avec les noyaux qu'ils rencontrent par lesquels ils sont soit diffusés, c'est-à-dire renvoyés dans une direction différente, soit absorbés. Tant que la probabilité d'absorption reste faible, les neutrons se conservent pratiquement en nombre, mais leur énergie décroît peu à peu à chaque diffusion. Si l'énergie est élevée, ce ralentissement est dû en partie à des chocs inélastiques (qui laissent le noyau cible dans un état excité). Mais la plupart des diffusions (diffusions élastiques) peuvent se comparer à des chocs entre boules de billard dont certaines (les neutrons) seraient initialement animées d'une grande vitesse, et les autres (les noyaux cibles, plus massifs) pouvant être considérés comme pratiquement à l'arrêt. Les noyaux sont d'autant plus efficaces pour ralentir (modérer) les neutrons que leur masse est plus faible, plus proche de celle du neutron. Un modérateur (eau, eau lourde, graphite...) est donc un matériau formé d'au moins un élément de masse atomique faible (hydrogène, deutérium, carbone...).

En conséquence, le domaine d'énergie dans lequel la majorité des neutrons sont finalement absorbés (en particulier pour produire une fission) est déterminé par la compétition entre absorption et ralentissement. Si ce dernier l'emporte, grâce à la présence dans le réacteur d'un modérateur efficace, les neutrons ralentissent jusqu'à ce que leur énergie cinétique soit à peu près égale à l'énergie d'agitation thermique du milieu diffusant (de 0,025 eV à la température de 300 K, par exemple). La plupart des fissions se prod [...]

1  2  3  4  5
pour nos abonnés,
l’article se compose de 19 pages

Médias de l’article

Énergie nucléaire

Énergie nucléaire
Crédits : Planeta Actimedia S.A.© Encyclopædia Universalis France pour la version française.

vidéo

Puissances électronucléaires installées

Puissances électronucléaires installées
Crédits : Encyclopædia Universalis France

tableau

Parc électronucléaire mondial par filière

Parc électronucléaire mondial par filière
Crédits : Encyclopædia Universalis France

tableau

Centrale nucléaire de Nogent-sur-Seine, France

Centrale nucléaire de Nogent-sur-Seine, France
Crédits : Patrick Aventurier/ Gamma-Rapho/ Getty Images

photographie

Afficher les 10 médias de l'article


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

Classification

Autres références

«  NUCLÉAIRE  » est également traité dans :

NUCLÉAIRE - Cycle du combustible

  • Écrit par 
  • Bernard BOULLIS, 
  • Noël CAMARCAT
  •  • 7 080 mots
  •  • 12 médias

Le développement industriel des réacteurs nucléaires n'est possible que grâce à la création d'industries spécialisées, souvent fort complexes, en particulier celles qui assurent les différentes phases de transformation du combustible nucléaire destiné à l'alimentation des réacteurs. Il s'agit tout d'abord d'extraire le minerai d'uranium, de le mettre sous le […] Lire la suite

NUCLÉAIRE - Applications civiles

  • Écrit par 
  • Pierre BACHER
  •  • 6 690 mots
  •  • 9 médias

Le nucléaire civil couvre de nombreux domaines faisant appel, d'une part, à la radioactivité et aux rayonnements ionisants, et, d'autre part, à la production d'énergie par fission d'atomes lourds ou fusion d'atomes légers.Parmi les applications de la radioactivité, outre de multiples domaines de la recherche, […] Lire la suite

NUCLÉAIRE - Applications militaires

  • Écrit par 
  • Paul BOUÉ, 
  • Thierry MASSARD, 
  • François OLIVE
  •  • 8 605 mots
  •  • 5 médias

L'application militaire de l'énergie atomique a été envisagée dès la découverte de la fission, comme le montre la demande de brevet déposée le 4 mai 1939 par le physicien français Frédéric Joliot-Curie et son équipe sur l'explosif nucléaire (« Perfectionnements aux charges explosives », décrivant le principe de la bombe atomique). Elle est deve […] Lire la suite

NUCLÉAIRE - Déchets

  • Écrit par 
  • Pierre BEREST, 
  • Jean-Paul SCHAPIRA
  •  • 10 950 mots
  •  • 8 médias

La production d'électricité dans des centrales nucléaires, mais aussi la médecine, la défense, la recherche scientifique et de nombreuses activités industrielles utilisent des substances radioactives et engendrent des déchets radioactifs. Ceux-ci présentent une activité et une radiotoxicité extrêmement v […] Lire la suite

NUCLÉAIRE - Démantèlement des installations

  • Écrit par 
  • Francis LAMBERT
  •  • 3 143 mots
  •  • 3 médias

Une installation nucléaire arrêtée dont le contenu représente encore un risque important ne peut être abandonnée. Ce serait moralement inacceptable, et c'est bien sûr interdit par la réglementation. Cependant cet impératif ne justifie pas à lui seul les efforts et les dépenses que représente, pour les exploitants, le démantèlement des installations nucléaires. Car rien n'empêche un exploitant de c […] Lire la suite

NUCLÉAIRE - Sûreté des centrales nucléaires

  • Écrit par 
  • Bernard LAPONCHE
  •  • 2 314 mots

Conséquence du séisme de magnitude 9 et du tsunami qui ont secoué le nord-est du Japon le 11 mars 2011, la catastrophe nucléaire de Fukushima vient relancer le débat sur la sûreté des centrales nucléaires. Après les accidents de Three Mile Island, de Tchernobyl et de Fukushima (qui est loin d'être terminé) […] Lire la suite

NUCLÉAIRE (notions de base)

  • Écrit par 
  • Universalis
  •  • 4 110 mots
  •  • 18 médias

Depuis la découverte de la radioactivité en 1896 par Henri Becquerel et celle du noyau atomique par Ernest Rutherford en 1911, des progrès scientifiques importants ont été accomplis en physique nucléaire. La maîtrise des réactions nucléaires a permis en particulier, dès le milieu du xx […] Lire la suite

T.I.C.E. (Traité d'interdiction complète des essais nucléaires) ou C.T.B.T. (Comprehensive Test Ban Treaty)

  • Écrit par 
  • Dominique MONGIN
  •  • 926 mots
  •  • 1 média

Le Traité d’interdiction complète des essais nucléaires (T.I.C.E.), ou Comprehensive Test Ban Treaty (C.T.B.T.), est un traité multilatéral élaboré dans le cadre de la Conférence du désarmement de l’Organisation des Nations unies (O.N.U.). Il a été ouvert à la signature des États en septembre 1996. À la mi-2015, 183 États l’ont signé et 164 l’ont ratifié. Ce traité vise à interdire tous les essai […] Lire la suite

Voir aussi

Les derniers événements

10-18 février 2022 France. Annonce du programme énergétique du président Emmanuel Macron.

Le chef de l’État indique sa volonté de relancer la filière nucléaire en vue de « garantir l’indépendance énergétique de la France », comme il l’avait annoncé en novembre 2021. Il « demande à EDF d’étudier les conditions de prolongation au-delà de cinquante ans [de] tous les réacteurs nucléaires qui peuvent l’être » et annonce la construction de six réacteurs EPR 2 – version optimisée de l’EPR (Evolutionary Power Reactor) – associée à l’étude de la construction de huit autres. […] Lire la suite

23 décembre 2021 Belgique. Accord gouvernemental sur la sortie du nucléaire.

Le gouvernement fédéral parvient à un accord sur la sortie du nucléaire. Le « plan A », qui prévoit la fermeture des réacteurs actuels d’ici fin 2025, en application de la loi de janvier 2003, est « renforcé » et 100 millions d’euros doivent être investis dans la recherche sur l’énergie nucléaire issue des Small Modular Reactors (SMR). Toutefois, en raison de la décision du gouvernement flamand de bloquer le projet de centrale au gaz de Vilvorde (Brabant flamand), qui doit en partie garantir l’approvisionnement en électricité dans le schéma de sortie du nucléaire, le gouvernement fédéral demande à l’Agence fédérale de contrôle nucléaire et au Service public fédéral Économie d’étudier l’hypothèse d’une prolongation de l’exploitation de certains réacteurs nucléaires, dans le cadre d’un « plan B », si Elia, le gestionnaire du réseau électrique belge, se déclarait incapable de garantir une sécurité d’approvisionnement du pays en électricité. […] Lire la suite

25 octobre 2021 Belgique. Rapport du Conseil supérieur de la santé sur l'énergie nucléaire.

Cet avis s’inscrit dans le débat relatif à l’opportunité de prolonger de dix ans l’exploitation de deux des sept réacteurs nucléaires du pays. Cette prolongation, indique le rapport, présente le risque « de freiner ou repousser à plus tard l’important effort industriel de transition ». Il pointe également la question des déchets, le risque d’accident grave, le risque terroriste et le risque de prolifération de matières fissiles à usage militaire. […] Lire la suite

17 novembre 2020 Belgique. Annonce de l'arrêt des investissements d'Engie dans le nucléaire.

100 du producteur belge d’électricité Electrabel qui exploite les sept réacteurs nucléaires de Doel et Tihange, annonce son intention de mettre fin aux investissements liés à la prolongation de ces unités. En janvier 2003, le Parlement a adopté un programme de sortie du nucléaire dont l’échéance a été portée à décembre 2025. La position d’Engie fait suite à la validation de la décision de sortie du nucléaire par le nouveau gouvernement formé en octobre, auquel participent des ministres écologistes. […] Lire la suite

19-26 septembre 2018 Belgique. Arrêt de six centrales nucléaires sur sept.

Le 19, l’Agence fédérale de contrôle nucléaire (AFCN) indique que des dégradations du béton ont été constatées sur les bunkers du réacteur 2 de la centrale nucléaire de Tihange (Wallonie) et du réacteur 4 de celle de Doel (Flandre), qui sont mis à l’arrêt. En octobre 2017, des dégradations similaires avaient été mises en évidence sur les réacteurs de Tihange 3 et Doel 3. […] Lire la suite

Pour citer l’article

Jean BUSSAC, Frank CARRÉ, Robert DAUTRAY, Jules HOROWITZ, Jean TEILLAC, « NUCLÉAIRE - Réacteurs nucléaires », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 19 mai 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/nucleaire-reacteurs-nucleaires/