Le dispositif et le principe de fonctionnement d'un réacteur nucléaire reposent sur l'initialisation et le contrôle d'une réaction nucléaire auto-entretenue. Il est utilisé comme outil de recherche, pour la production d'isotopes radioactifs et comme source d'énergie pour les centrales nucléaires.
Réacteur nucléaire: comment ça marche (en bref)
Ici, le processus de fission nucléaire est utilisé, dans lequel un noyau lourd se décompose en deux fragments plus petits. Ces fragments sont dans un état hautement excité et émettent des neutrons, d'autres particules subatomiques et des photons. Les neutrons peuvent provoquer de nouvelles fissions, à la suite desquelles davantage de neutrons sont émis, et ainsi de suite. Une telle série continue et auto-entretenue de scissions s'appelle une réaction en chaîne. Dans le même temps, une grande quantité d'énergie est libérée, dont la production est le but de l'utilisation des centrales nucléaires.
Le principe de fonctionnement d'un réacteur nucléaire et d'une centrale nucléaire est tel qu'environ 85 % de l'énergie de fission est libérée dans un laps de temps très court après le début de la réaction. Le reste est produit enle résultat de la désintégration radioactive des produits de fission après qu'ils aient émis des neutrons. La désintégration radioactive est le processus par lequel un atome atteint un état plus stable. Il continue même après la fin de la division.
Dans une bombe atomique, la réaction en chaîne augmente d'intensité jusqu'à ce que la plus grande partie du matériau soit divisée. Cela se produit très rapidement, produisant les explosions extrêmement puissantes caractéristiques de telles bombes. Le dispositif et le principe de fonctionnement d'un réacteur nucléaire reposent sur le maintien d'une réaction en chaîne à un niveau contrôlé, quasi constant. Il est conçu de telle manière qu'il ne peut pas exploser comme une bombe atomique.
Réaction en chaîne et criticité
La physique d'un réacteur à fission nucléaire est que la réaction en chaîne est déterminée par la probabilité de fission nucléaire après l'émission de neutrons. Si la population de ces derniers diminue, alors le taux de fission finira par tomber à zéro. Dans ce cas, le réacteur sera dans un état sous-critique. Si la population de neutrons est maintenue à un niveau constant, le taux de fission restera stable. Le réacteur sera dans un état critique. Et enfin, si la population de neutrons augmente avec le temps, le taux et la puissance de fission augmenteront. Le noyau deviendra supercritique.
Le principe de fonctionnement d'un réacteur nucléaire est le suivant. Avant son lancement, la population de neutrons est proche de zéro. Les opérateurs retirent alors les barres de commande du cœur, augmentant la fission nucléaire, qui se traduit temporairementréacteur à l'état supercritique. Après avoir atteint la puissance nominale, les opérateurs retournent partiellement les barres de contrôle en ajustant le nombre de neutrons. A l'avenir, le réacteur est maintenu dans un état critique. Lorsqu'il doit être arrêté, les opérateurs insèrent complètement les tiges. Cela supprime la fission et amène le cœur à un état sous-critique.
Types de réacteurs
La plupart des installations nucléaires dans le monde génèrent de l'énergie, générant la chaleur nécessaire pour faire tourner les turbines qui entraînent les générateurs d'électricité. Il existe également de nombreux réacteurs de recherche, et certains pays possèdent des sous-marins ou des navires de surface à propulsion nucléaire.
Centrales électriques
Il existe plusieurs types de réacteurs de ce type, mais la conception à eau légère a trouvé une large application. À son tour, il peut utiliser de l'eau sous pression ou de l'eau bouillante. Dans le premier cas, le liquide sous haute pression est chauffé par la chaleur du noyau et pénètre dans le générateur de vapeur. Là, la chaleur du circuit primaire est transférée au secondaire, qui contient également de l'eau. La vapeur éventuellement générée sert de fluide de travail dans le cycle de la turbine à vapeur.
Le réacteur de type bouillant fonctionne sur le principe d'un cycle à énergie directe. L'eau, traversant la zone active, est portée à ébullition à un niveau de pression moyenne. La vapeur saturée traverse une série de séparateurs et de sécheurs situés dans la cuve du réacteur, ce qui l'amène àétat surchauffé. La vapeur d'eau surchauffée est ensuite utilisée comme fluide de travail pour faire tourner une turbine.
Refroidi au gaz à haute température
Le High Temperature Gas Cooled Reactor (HTGR) est un réacteur nucléaire dont le principe de fonctionnement repose sur l'utilisation d'un mélange de graphite et de microsphères de combustible comme combustible. Il existe deux modèles concurrents:
- Système de "remplissage" allemand qui utilise des piles à combustible sphériques de 60 mm de diamètre, qui sont un mélange de graphite et de combustible dans une enveloppe en graphite;
- Version américaine sous forme de prismes hexagonaux en graphite qui s'imbriquent pour former une zone active.
Dans les deux cas, le liquide de refroidissement est constitué d'hélium à une pression d'environ 100 atmosphères. Dans le système allemand, l'hélium passe à travers des interstices dans la couche d'éléments combustibles sphériques, et dans le système américain, à travers des trous dans des prismes en graphite situés le long de l'axe de la zone centrale du réacteur. Les deux options peuvent fonctionner à des températures très élevées, car le graphite a une température de sublimation extrêmement élevée, tandis que l'hélium est complètement inerte chimiquement. L'hélium chaud peut être appliqué directement comme fluide de travail dans une turbine à gaz à haute température, ou sa chaleur peut être utilisée pour générer de la vapeur du cycle de l'eau.
Réacteur nucléaire à métal liquide: schéma et principe de fonctionnement
Les réacteurs à neutrons rapides avec caloporteur au sodium ont fait l'objet de beaucoup d'attention dans les années 1960 et 1970. Puisil semblait que leur capacité à reproduire le combustible nucléaire dans un avenir proche était nécessaire à la production de combustible pour l'industrie nucléaire en plein essor. Lorsqu'il est devenu clair dans les années 1980 que cette attente était irréaliste, l'enthousiasme s'est estompé. Cependant, un certain nombre de réacteurs de ce type ont été construits aux États-Unis, en Russie, en France, en Grande-Bretagne, au Japon et en Allemagne. La plupart d'entre eux fonctionnent au dioxyde d'uranium ou son mélange avec du dioxyde de plutonium. Aux États-Unis, cependant, le plus grand succès a été avec les combustibles métalliques.
CANDU
Le Canada a concentré ses efforts sur les réacteurs qui utilisent de l'uranium naturel. Cela élimine la nécessité pour son enrichissement de recourir aux services d'autres pays. Le résultat de cette politique fut le réacteur deutérium-uranium (CANDU). Le contrôle et le refroidissement y sont effectués par de l'eau lourde. Le dispositif et le principe de fonctionnement d'un réacteur nucléaire est d'utiliser une cuve à froid D2O à pression atmosphérique. Le cœur est percé de tuyaux en alliage de zirconium avec combustible à l'uranium naturel, à travers lesquels de l'eau lourde le refroidit. L'électricité est produite en transférant la chaleur de fission dans l'eau lourde au liquide de refroidissement qui circule dans le générateur de vapeur. La vapeur du circuit secondaire passe ensuite par le cycle normal de la turbine.
Installations de recherche
Pour la recherche scientifique, on utilise le plus souvent un réacteur nucléaire dont le principe est d'utiliser le refroidissement par eau etles éléments combustibles lamellaires à l'uranium sous forme d'assemblages. Capable de fonctionner sur une large gamme de niveaux de puissance, de quelques kilowatts à des centaines de mégawatts. La production d'électricité n'étant pas la tâche principale des réacteurs de recherche, ils se caractérisent par l'énergie thermique générée, la densité et l'énergie nominale des neutrons dans le cœur. Ce sont ces paramètres qui permettent de quantifier la capacité d'un réacteur de recherche à mener des études spécifiques. Les systèmes à faible puissance sont généralement utilisés dans les universités à des fins d'enseignement, tandis que les systèmes à forte puissance sont nécessaires dans les laboratoires de R&D pour les tests de matériaux et de performances et la recherche générale.
Le réacteur nucléaire de recherche le plus courant, dont la structure et le principe de fonctionnement sont les suivants. Sa zone active est située au fond d'un grand bassin d'eau profonde. Cela simplifie l'observation et le placement des canaux à travers lesquels les faisceaux de neutrons peuvent être dirigés. À de faibles niveaux de puissance, il n'est pas nécessaire de purger le liquide de refroidissement, car la convection naturelle du liquide de refroidissement fournit une dissipation de chaleur suffisante pour maintenir un état de fonctionnement sûr. L'échangeur de chaleur est généralement situé à la surface ou au sommet de la piscine où l'eau chaude s'accumule.
Installations de navires
L'utilisation originale et principale des réacteurs nucléaires est dans les sous-marins. Leur principal avantage estque, contrairement aux systèmes de combustion de combustibles fossiles, ils n'ont pas besoin d'air pour produire de l'électricité. Par conséquent, un sous-marin nucléaire peut rester immergé pendant de longues périodes, tandis qu'un sous-marin diesel-électrique conventionnel doit périodiquement remonter à la surface pour démarrer ses moteurs dans les airs. Le nucléaire donne un avantage stratégique aux navires de la Marine. Il élimine le besoin de faire le plein dans des ports étrangers ou auprès de pétroliers vulnérables.
Le principe de fonctionnement d'un réacteur nucléaire sur un sous-marin est classifié. Or, on sait qu'aux USA on utilise de l'uranium fortement enrichi, et que le ralentissement et le refroidissement se font par de l'eau légère. La conception du premier réacteur du sous-marin nucléaire USS Nautilus a été fortement influencée par de puissantes installations de recherche. Ses caractéristiques uniques sont une très grande marge de réactivité, qui assure une longue période de fonctionnement sans ravitaillement et la possibilité de redémarrer après un arrêt. La centrale électrique des sous-marins doit être très silencieuse pour éviter d'être détectée. Pour répondre aux besoins spécifiques des différentes classes de sous-marins, différents modèles de centrales électriques ont été créés.
Les porte-avions de l'US Navy utilisent un réacteur nucléaire dont le principe serait emprunté aux plus gros sous-marins. Les détails de leur conception n'ont pas non plus été publiés.
En plus des États-Unis, le Royaume-Uni, la France, la Russie, la Chine et l'Inde ont des sous-marins nucléaires. Dans chaque cas, la conception n'a pas été divulguée, mais on pense qu'elles sont toutes très similaires - celaest une conséquence des mêmes exigences pour leurs caractéristiques techniques. La Russie possède également une petite flotte de brise-glaces à propulsion nucléaire dotés des mêmes réacteurs que les sous-marins soviétiques.
Installations industrielles
Pour la production de plutonium-239 de qualité militaire, un réacteur nucléaire est utilisé, dont le principe est une productivité élevée avec un faible niveau de production d'énergie. Cela est dû au fait qu'un long séjour de plutonium dans le cœur entraîne l'accumulation de 240Pu.
Production de tritium
Actuellement, le principal matériau produit par ces systèmes est le tritium (3H ou T), la charge des bombes à hydrogène. Le plutonium-239 a une longue demi-vie de 24 100 ans, de sorte que les pays dotés d'arsenaux d'armes nucléaires utilisant cet élément ont tendance à en avoir plus qu'ils n'en ont besoin. Contrairement au 239Pu, le tritium a une demi-vie d'environ 12 ans. Ainsi, afin de maintenir les approvisionnements nécessaires, cet isotope radioactif de l'hydrogène doit être produit en continu. Aux États-Unis, Savannah River, en Caroline du Sud, par exemple, possède plusieurs réacteurs à eau lourde qui produisent du tritium.
Moteurs flottants
Des réacteurs nucléaires ont été créés pour fournir de l'électricité et du chauffage à la vapeur à des zones isolées éloignées. En Russie, par exemple, ont trouvé une applicationpetites centrales spécialement conçues pour desservir les collectivités de l'Arctique. En Chine, une centrale HTR-10 de 10 MW fournit de la chaleur et de l'électricité à l'institut de recherche où elle se trouve. De petits réacteurs contrôlés dotés de capacités similaires sont en cours de développement en Suède et au Canada. Entre 1960 et 1972, l'armée américaine a utilisé des réacteurs à eau compacts pour alimenter des bases éloignées au Groenland et en Antarctique. Elles ont été remplacées par des centrales au fioul.
Exploration spatiale
De plus, des réacteurs ont été développés pour l'alimentation électrique et les déplacements dans l'espace. Entre 1967 et 1988, l'Union soviétique a installé de petites installations nucléaires sur les satellites Kosmos pour alimenter les équipements et la télémétrie, mais cette politique est devenue la cible de critiques. Au moins un de ces satellites est entré dans l'atmosphère terrestre, entraînant une contamination radioactive de régions éloignées du Canada. Les États-Unis n'ont lancé qu'un seul satellite à propulsion nucléaire en 1965. Cependant, des projets pour leur utilisation dans des vols spatiaux lointains, l'exploration habitée d'autres planètes ou sur une base lunaire permanente continuent d'être développés. Il s'agira nécessairement d'un réacteur nucléaire refroidi au gaz ou à métal liquide, dont les principes physiques fourniront la température la plus élevée possible nécessaire pour minimiser la taille du radiateur. De plus, un réacteur spatial doit être aussi compact que possible afin de minimiser la quantité de matière utilisée pourblindage et pour réduire le poids pendant le lancement et le vol spatial. La réserve de carburant assurera le fonctionnement du réacteur pendant toute la durée du vol spatial.
