NUCLÉAIRERéacteurs nucléaires

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Éléments constitutifs d'un réacteur nucléaire

L'utilisation principale des réacteurs nucléaires est la production d'électricité à partir de l'énergie thermique de la fission. Les matériaux fissiles et fertiles sont les combustibles nucléaires de ces machines thermiques qui, à raison d'environ 200 MeV par fission, produisent 70 milliards de joules par gramme de noyaux fissiles consommés à comparer aux 33 000 joules produits par la combustion de 1 gramme de charbon.

L'énergie de fission est libérée principalement sous forme d'énergie cinétique des produits de fission ; le reste est transporté par les rayonnements β (et les neutrinos), γ et par les neutrons. L'énergie de fission se traduit finalement par un dégagement de chaleur dont l'essentiel a lieu au sein du combustible nucléaire.

Dans la réaction en chaîne, il n'existe pas de limite théorique au rythme des fissions et donc au niveau de puissance instantanée. En pratique, dans le cas de réactions explosives (armes nucléaires), la dislocation mécanique du milieu fissile arrête la réaction. Dans le cas des réacteurs nucléaires, la puissance est volontairement limitée aux possibilités d'extraction de la chaleur produite dans les éléments de combustible. À cet égard, le développement de l'énergie nucléaire à des fins civiles a été marqué par une optimisation du cœur et des techniques de transfert thermique pour accroître la puissance extractible d'un volume et d'une masse de matières fissiles données.

Le combustible nucléaire

La matière fissile est contenue dans le combustible nucléaire dont la conception et la technologie doivent garantir sa tenue mécanique et son refroidissement en toutes circonstances, même accidentelles, et doivent permettre sa manutention avant, pendant et après son passage en réacteur. Peuvent être utilisés l'uranium métallique ou un composé céramique du type oxyde, carbure ou nitrure fonctionnant à haute température. Le plus courant est le dioxyde d'uranium : sa conductivité thermique est faible, mais sa température de fusion est élevée (de 2 600 à 2 800 0C selon le taux de combustion) de même que sa résistance aux dommages d'irradiation. On utilise le plutonium de façon analogue, sous forme d'oxyde mixte d'uranium et de plutonium (combustible dit Mox, abréviation de mélange d'oxydes).

La teneur en matière fissile est une caractéristique importante du combustible nucléaire : le plus souvent, il s'agit d'uranium enrichi en isotope 235U.

Le combustible solide est placé dans une gaine étanche, généralement métallique, qui doit à la fois confiner les produits de fission radioactifs émis par la fission, garder son intégrité mécanique sur l'ensemble de la durée d'utilisation du combustible, et, pour cela, permettre un refroidissement suffisant en toutes circonstances (y compris accidentelles) par le fluide dit caloporteur qui circule à son contact. On recherche enfin un matériau de gaine qui capture peu les neutrons (aluminium, magnésium, zirconium...).

Le fluide caloporteur

Le fluide caloporteur est un liquide ou un gaz qui circule à grande vitesse au contact des éléments de combustible. Il doit autant que possible posséder une capacité calorifique importante, une bonne conductivité thermique et un faible pouvoir d'absorption neutronique. Les seuls gaz utilisés sont le dioxyde de carbone (CO2) et l'hélium sous pression. Parmi les liquides, l'eau ordinaire et l'eau lourde, qui sont aussi des modérateurs, ont la faveur des réacteurs à neutrons thermiques. Les réacteurs à neutrons rapides, qui excluent l'emploi de noyaux légers, ont utilisé des métaux fondus tels que le sodium.

Le fluide caloporteur, contenu dans un premier circuit (circuit primaire) s'échauffe dans le cœur cède sa chaleur à un autre fluide, souvent de l'eau ordinaire, qui circule dans un deuxième circuit (circuit secondaire) et actionne une turbine à vapeur pour la production d'électricité.

Le choix du caloporteur a de profondes répercussions sur la technologie du réacteur et des circuits extérieurs : il en détermine en grande part les options techniques fondamentales et constitue l'un des éléments les plus caractéristiques d'une filière de réacteurs.

Le modérateur et le réflecteur

Les modérateurs usuels sont le graphite, l'eau ordinaire et l'eau lourde. Ce dernier modérateur possède les meilleures qualités (absorption faible, pouvoir de modération élevé), mais il est aussi [...]

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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 23 mai 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/nucleaire-reacteurs-nucleaires/