Fonctionnement d’un réacteur nucléaire

Les centrales nucléaires utilisent de l’uranium pour produire de la chaleur, qui sert ensuite à faire bouillir de l’eau pour la transformer en vapeur. Des 92 éléments qui composent la Terre, l’uranium est celui qui possède les plus gros atomes, et ce sont donc eux qui ont le plus de chance de se fractionner.

Quand les particules subatomiques appelées neutrons entrent en contact avec les atomes d’uranium, ces derniers se fractionnent, libérant alors de l’énergie sous forme de chaleur. Cette réaction se produit en permanence dans la nature, mais à un rythme extrêmement lent. Les réacteurs nucléaires accélèrent énormément ce processus en ralentissant les neutrons et en augmentant la probabilité qu’ils heurtent et divisent des atomes d’uranium. Lorsque les atomes d’uranium se fractionnent, ils libèrent d’autres neutrons qui iront heurter et diviser de nouveaux atomes, provoquant ainsi une réaction en chaîne. C’est la fission nucléaire.

Au cœur de chaque réacteur nucléaire se trouvent les pastilles de combustible, grosses comme un ongle. Malgré leur petite taille, ces pastilles permettent de produire des quantités considérables d’énergie.

Les réacteurs nucléaires canadiens utilisent des pastilles de combustible faites d’uranium naturel extrait au Canada même. Ces pastilles sont insérées dans des tubes en alliage de zirconium, un métal spécial extrêmement résistant à la corrosion, d’environ 50 cm de longueur. Ces tubes sont ensuite fermés par soudage et regroupés dans ce qu’on appelle une grappe de combustible. Une seule de ces grappes de 50 cm peut produire assez d’énergie pour alimenter 100 maisons pendant un an.

On introduit quelques centaines de grappes de combustibles dans le cœur du réacteur nucléaire, où la fission des atomes d’uranium créera une intense chaleur. Cette chaleur fera bouillir de l’eau pour produire de la vapeur, laquelle entraînera une turbine et un alternateur (groupe turboalternateur), produisant ainsi de l’électricité.

Les centrales nucléaires peuvent produire des quantités considérables d’électricité à partir d’une petite quantité de combustible. Une pastille de combustible nucléaire de quelques centimètres à peine permet de produire la même quantité d’énergie que 807 kilogrammes de charbon, 677 litres de mazout ou 476 mètres cubes de gaz naturel.

Comme ces centrales ne brûlent aucun combustible, elles ne produisent pratiquement aucune fumée et n’émettent pas de gaz à effet de serre. En revanche, elles produisent des déchets nucléaires, qui doivent être traités et stockés avec un soin extrême

Principaux composants d’un réacteur nucléaire

Le réacteur est la partie principale d’une centrale construite pour exploiter l’énergie produite par la fission nucléaire. Il existe de nombreux types de réacteurs nucléaires, mais ils ont tous en commun plusieurs composants, tels que le combustible, le modérateur, le caloporteur et les barres de commande (voir la figure ci-après).

Combustible

L’uranium possède deux isotopes principaux : l’uranium 235 (235U) et l’uranium 238 (238U). Le premier, le 235U, est la seule matière fissile existante à l’état naturel, c’est-à-dire la seule dont les atomes peuvent facilement se diviser lorsqu’ils sont heurtés par des neutrons thermiques ou par des neutrons rapides. C’est pourquoi presque tous les réacteurs utilisent l’uranium comme combustible. La plupart des combustibles employés dans les réacteurs commerciaux sont traités de façon à obtenir une teneur en 235U de l’ordre de 2 à 5 % (comparativement à0,711 % dans la nature). On dit alors que le combustible est enrichi en 235U.

Le reste de l’uranium, généralement du 238U, ne peut subir de fission que s’il est heurté par des neutrons rapides d’un certain niveau d’énergie. Toutefois, quand il n’y a pas de fission mais simplement absorption de neutrons, le 238U se transforme en plutonium 239 (239Pu). Cet isotope du plutonium (il en existe beaucoup d’autres) peut aussi se fragmenter sous l’impact de neutrons thermiques ou de neutrons rapides. Sa contribution à la production d’énergie des réacteurs à eau ordinaire augmente graduellement jusqu’à représenter presque 30 %. Certains réacteurs utilisent un combustible contenant du plutonium dans leur composition de départ, et on parle alors de combustible à oxydes mixtes (MOX). La fabrication de ce type de combustible permet d’exploiter le stock de plutonium extrait du combustible irradié qui, autrement, constituerait un déchet.

Modérateur

Le modérateur sert à ralentir les neutrons rapides libérés lors de la fission, c’est-à-dire à abaisser leur énergie au niveau thermique pour augmenter ainsi leur efficacité à provoquer d’autres fissions. Le modérateur doit avoir une masse suffisamment faible pour ralentir les neutrons sans toutefois qu’ils soient captés. On utilise généralement de l’eau ordinaire, mais on peut aussi se servir de graphite, qui est une forme de carbone, ou encore d’eau lourde, laquelle est composée d’un atome d’oxygène et de deux atomes de deutérium, l’isotope lourd de l’hydrogène.

Caloporteur

Le caloporteur (ou refroidisseur) sert à absorber et à éliminer la chaleur produite par la fission nucléaire et à maintenir la température du combustible dans des limites acceptables. Il achemine ensuite cette chaleur qui sera transformée en vapeur pour entraîner des turbines servant à produire de l’électricité. Si le caloporteur est de l’eau, la vapeur produite peut alimenter directement les turbines. Elle peut aussi être envoyée dans un échangeur de chaleur qui en extrait la chaleur pour produire de la vapeur. On peut aussi employer d’autres matières comme caloporteur : l’eau lourde, des gaz comme le dioxyde de carbone ou l’hélium ou bien du métal fondu, comme le sodium, le plomb et le bismuth. Le caloporteur peut aussi jouer le rôle de modérateur; dans la plupart des réacteurs modernes, on utilise l’eau pour ce double rôle.

Barres de commande

Les barres de commande sont faites d’une matière qui absorbe les neutrons, par exemple, le bore, l’argent, l’indium, le cadmium ou le hafnium. On les immerge à l’intérieur du réacteur pour réduire le nombre de neutrons et par conséquent, arrêter la réaction en chaîne en cas d’urgence ou, en fonctionnement normal, pour contrôler et réguler le niveau et la distribution spatiale de l’énergie dans le réacteur.

Autres composants

Le combustible et la structure mécanique qui le maintient en place forment le cœur du réacteur. Ce cœur est généralement entouré d’un réflecteur afin de renvoyer un maximum de neutrons qui s’en sont échappés pour ainsi maximiser le rendement neutronique. C’est souvent le caloporteur ou le modérateur qui sert de réflecteur. Le cœur et son réflecteur sont fréquemment logés dans un épais contenant en acier appelé « cuve du réacteur ». Un bouclier protège la cuve du rayonnement intense émis lors de la fission. Le cœur et les structures internes sont dotés de nombreux instruments qui permettent de surveiller et de commander le réacteur (réglage de la température, de la pression, du rayonnement et du niveau de puissance).

Fission nucléaire et modérateur

Pour que l’on puisse contrôler la production d’électricité à partir d’un réacteur nucléaire, il faut que la réaction nucléaire (fission) à l’intérieur du réacteur soit autoentretenue. La fission produit notamment des neutrons rapides (c.-à-d. qui se propagent à environ 10 % de la vitesse de la lumière), qui peuvent être absorbés ou ralentis par d’autres matières ou absorbés par un atome de combustible (p. ex. 235U) et provoquer sa fission. Comme cette dernière entraîne la libération de plusieurs neutrons (deux ou trois pour le 235U), elle peut se répéter à un rythme croissant à chaque nouvelle « production » de neutrons. On se trouve alors en situation surcritique. Inversement, si les neutrons sont absorbés en trop grande quantité ou que la matière fissile est insuffisante pour permettre la fission, le système est sous-critique et il n’est pas possible d’y entretenir une réaction en chaîne. Dans un système critique, la réaction en chaîne est donc stable et le nombre de neutrons libres à l’intérieur du réacteur n’augmente pas.

Par une bizarrerie de la physique, certaines matières fissiles absorbent mieux les neutrons lents, ou thermiques, que les neutrons rapides issus de la fission. En fait, un neutron rapide de 235U a environ 1 000 fois moins de chances de causer une fission qu’un neutron lent, qui voyage à une vitesse 100 000 000 fois plus faible. Le rôle du modérateur est de ralentir les neutrons rapides pour augmenter l’efficacité de la réaction de fission. Il semble que les matières les plus efficaces pour les modérateurs sont le graphite (une forme de carbone) et l’eau lourde (D2O où chaque atome d’hydrogène, appelé « deutérium » ou « D », possède un proton et un neutron). Ces matières ont l’avantage de ne pas absorber trop de neutrons. L’eau ordinaire (H2O), aussi appelée « eau légère », est également un bon modérateur. Cependant, elle a tendance à absorber des neutrons et donc à atténuer la réaction. Les réacteurs qui emploient de l’eau lourde comme modérateur nécessitent un combustible enrichi pour contrebalancer cette perte de neutrons. L’enrichissement permet d’obtenir une teneur en isotope 235U du combustible de l’ordre de 3 à 5 %, comparativement à 0,711 % à l’état naturel (les 99,289 % de l’uranium naturel restant sont constitués de 238U, qui est plus difficile à fractionner).

L’énergie issue de cette réaction contrôlée est absorbée par une matière (le caloporteur, qui est souvent le modérateur), dont la température s’accroît alors. Dans certaines centrales, cette matière crée directement de la vapeur; dans d’autres, la matière chauffée est acheminée par pompage dans un générateur de vapeur, où la chaleur est transmise à l’eau pour la transformer en vapeur. Cette vapeur sert ensuite à actionner une turbine qui produit l’électricité.

Sources :

NEA Nuclear Energy Today, 2012, pp. 18–19, http://www.oecd-nea.org/pub/nuclearenergytoday/6885-nuclear-energy-today.pdf.
http://www.cleansafeenergy.org/.
Ontario Power Generation, http://www.opg.com/education/program.asp.