réacteur nucléaire
Appareil dans lequel il est possible de produire et de diriger une réaction nucléaire de fission ou de fusion.
NUCLÉAIRE
Types de réacteurs
Un réacteur de fission est formé d'un certain nombre de constituants répartis judicieusement dans un volume déterminé (le cœur), où il est possible, à volonté, de déclencher une réaction de fission en chaîne, d'en régler l'intensité et de l'arrêter. Parmi ces constituants, le combustible nucléaire joue un rôle essentiel par les nucléides fissiles qu'il contient, et dont les plus importants sont l'uranium 235 et le plutonium 239. Pour qu'une réaction en chaîne puisse s'entretenir, il faut que la masse totale des noyaux fissiles atteigne un certain minimum, la masse critique, qui dépend de la nature et de la répartition des matériaux du cœur et des dimensions de celui-ci.
Dans les réacteurs à neutrons lents (ou réacteurs thermiques), on introduit, parmi les constituants du cœur, un modérateur qui, en ralentissant les neutrons, facilite l'établissement d'une réaction en chaîne. Le ralentissement des neutrons est réalisé par une série de chocs sur les noyaux du modérateur. Un bon modérateur doit être un élément léger et doit peu capturer les neutrons. On utilise en pratique l'eau lourde, le carbone (sous forme de graphite) et l'eau ordinaire. Avec les deux premiers, on a pu construire des réacteurs utilisant comme combustible l'uranium naturel ; avec l'eau ordinaire, qui capture davantage les neutrons, il faut employer de l'uranium enrichi en isotope 235.
Dans les réacteurs à neutrons rapides, où l'on évite au contraire d'introduire des modérateurs, on doit, pour réaliser une réaction en chaîne, utiliser un combustible qui contient une forte proportion de noyaux fissiles. Mais ces réacteurs présentent l'avantage de produire davantage de substance fissile qu'ils n'en consomment, d'où leur nom de surgénérateurs.
Quel que soit le type de réacteur, il faut extraire du cœur la chaleur produite par les fissions, soit qu'on veuille l'utiliser pour produire de l'énergie, soit pour éviter que la température du cœur ne s'élève exagérément. On fait donc circuler dans le cœur un fluide dit caloporteur, qui extrait et transporte la chaleur. Les caloporteurs les plus employés pour les réacteurs à neutrons lents sont le gaz carbonique sous pression quand le modérateur est du graphite, l'eau lourde sous pression quand le modérateur est de l'eau lourde, ou de l'eau ordinaire. La même eau joue alors le rôle de caloporteur et de modérateur. Le fluide de refroidissement adopté pour les réacteurs à neutrons rapides est le sodium liquide.
Principales filières
Cinq familles (ou filières) de réacteurs équipent la quasi-totalité des centrales électronucléaires installées dans le monde. Elles sont couramment désignées par le nom du caloporteur et, s'il est distinct, par le nom du modérateur :
– eau ordinaire sous pression
– eau ordinaire bouillante
– gaz carbonique, graphite
– eau lourde sous pression
– eau ordinaire bouillante et graphite.
Les deux premières de la liste concernent environ 70 % des centrales nucléaires. La recherche fondamentale et appliquée utilise largement le réacteur piscine, réalisé en plongeant un réseau d'éléments combustibles, ainsi que les organes de commande correspondants, au fond d'une cuve ouverte remplie d'eau. L'eau joue à la fois le rôle de modérateur et de caloporteur et constitue un écran qui protège les expérimentateurs contre les rayonnements.
Générations de réacteurs
Les premiers réacteurs ont été construits à partir des années 1950 ; ils sont dits de première génération. Les réacteurs actuellement en fonctionnement dans le monde, à eau sous pression et à uranium enrichi, constituent la deuxième génération. Ils ont été construits entre 1970 et 2000.
Une troisième génération est en train d’émerger. Elle dérive directement de la génération précédente, qu’elle est appelée à renouveler. Elle est représentée notamment par l’EPR (European Pressurized water Reactor) franco-allemand, en cours de développement.
Pour susciter et coordonner à l’échelle internationale davantage de recherches sur les réacteurs du futur, a été lancé, à l’initiative des États-Unis, le concept de quatrième génération. Un Forum international, créé en 2000 et regroupant l’Afrique du Sud, l’Argentine, le Brésil, le Canada, la Chine, la Corée du Sud, les États-Unis, la France, la Grande-Bretagne, le Japon, la Russie, la Suisse et l’Union européenne, a sélectionné six filières innovantes, susceptibles d’êtres plus sûres, plus fiables et économiquement compétitives, tout en respectant les critères de développement durable :
1. VHTR (Very High Temperature Reactor) : réacteur à neutrons thermiques de petite taille, refroidi à l’hélium à très haute température (1 000 à 1 200 °C), dédié à la production d’hydrogène ou à la cogénération hydrogène électricité.
2. GFR (Gas-cooled Fast Reactor) : réacteur à neutrons rapides de petite taille, refroidi à l’hélium, surgénérateur.
3. SFR (Sodium-cooled Fast Reactor) ; réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium, surgénérateur. Deux options possibles, avec une puissance unitaire de 150 à 500 MWe pour l’une et de 500 à 1 200 MWe pour l’autre.
4. SCWR (SuperCritical Water-cooled Reactor) : réacteur à eau supercritique de grande puissance. Deux versions possibles, l’une à neutrons thermiques, l’autre à neutrons rapides.
5. LFR (Lead-cooled Fast Reactor) : réacteur à neutrons rapides refroidi au plomb, surgénérateur. Puissance unitaire allant de 50 à 1 200 MWe selon le modèle.
6. MSR (Molten Salt Reactor) : réacteur de petite taille à neutrons épithermiques (c’est-à-dire d’énergie cinétique moyenne), utilisant le sel fondu à la fois comme combustible et comme caloporteur.
La réalisation de prototypes de ces systèmes ne devrait pas intervenir avant la décennie 2030 et leur déploiement industriel avant la décennie suivante. (→ nucléaire.)
