Aujourd'hui, nous ferons un petit voyage dans le monde de la physique nucléaire. Le thème de notre excursion sera un réacteur nucléaire. Vous apprendrez comment il fonctionne, quels principes physiques sous-tendent son fonctionnement et où cet appareil est utilisé.

La naissance de l'énergie nucléaire

Le premier réacteur nucléaire au monde a été créé en 1942 aux États-Unis un groupe expérimental de physiciens dirigé par le lauréat du prix Nobel Enrico Fermi. Dans le même temps, ils ont procédé à une réaction auto-entretenue de fission de l’uranium. Le génie atomique est sorti.

Le premier réacteur nucléaire soviétique a été lancé en 1946, et 8 ans plus tard, la première centrale nucléaire au monde, dans la ville d'Obninsk, produisait du courant. Le directeur scientifique en chef des travaux de l'industrie de l'énergie nucléaire de l'URSS était un physicien exceptionnel. Igor Vasilievich Kurchatov.

Depuis, plusieurs générations de réacteurs nucléaires ont changé, mais les principaux éléments de sa conception sont restés inchangés.

Anatomie d'un réacteur nucléaire

Cette installation nucléaire est une cuve en acier à paroi épaisse, d'une capacité cylindrique allant de quelques centimètres cubes à plusieurs mètres cubes.

A l'intérieur de ce cylindre se trouve le Saint des Saints - coeur du réacteur. C’est là que se produit la réaction en chaîne de fission nucléaire.

Voyons comment ce processus se déroule.

Noyaux d'éléments lourds, en particulier Uranium-235 (U-235), sous l'influence d'un petit choc énergétique, ils sont capables de se désagréger en 2 fragments de masse à peu près égale. L'agent causal de ce processus est le neutron.

Les fragments sont le plus souvent des noyaux de baryum et de krypton. Chacun d'eux porte une charge positive, de sorte que les forces de répulsion coulombiennes les forcent à se séparer dans des directions différentes à une vitesse d'environ 1/30 de la vitesse de la lumière. Ces fragments sont porteurs d’une énergie cinétique colossale.

Pour l’utilisation pratique de l’énergie, il est nécessaire que sa libération soit auto-entretenue. Réaction en chaîne, La fission en question est particulièrement intéressante car chaque événement de fission s'accompagne de l'émission de nouveaux neutrons. En moyenne, 2 à 3 nouveaux neutrons sont produits par neutron initial. Le nombre de noyaux d'uranium fissile augmente comme une avalanche, provoquant la libération d’une énorme énergie. Si ce processus n’est pas contrôlé, une explosion nucléaire se produira. Cela se déroule en .

Pour réguler le nombre de neutrons des matériaux absorbant les neutrons sont introduits dans le système, assurant une libération douce de l’énergie. Le cadmium ou le bore sont utilisés comme absorbeurs de neutrons.

Comment freiner et utiliser l’énorme énergie cinétique des fragments ? Le liquide de refroidissement est utilisé à ces fins, c'est-à-dire un environnement particulier, en mouvement dans lequel les fragments sont ralentis et chauffés à des températures extrêmement élevées. Un tel milieu peut être de l'eau ordinaire ou lourde, des métaux liquides (sodium), ainsi que certains gaz. Afin de ne pas provoquer la transition du liquide de refroidissement vers l'état de vapeur, une haute pression est maintenue dans le noyau (jusqu'à 160 atm). Pour cette raison, les parois du réacteur sont en acier de dix centimètres de qualités spéciales.

Si des neutrons s'échappent au-delà du combustible nucléaire, la réaction en chaîne peut être interrompue. Il existe donc une masse critique de matières fissiles, c’est-à-dire sa masse minimale à laquelle une réaction en chaîne sera maintenue. Elle dépend de différents paramètres, dont la présence d'un réflecteur entourant le cœur du réacteur. Il sert à empêcher les fuites de neutrons dans environnement. Le matériau le plus courant pour cet élément structurel est le graphite.

Les processus se produisant dans le réacteur s'accompagnent de la libération du aspect dangereux rayonnement – ​​rayonnement gamma. Pour minimiser ce danger, il est équipé d'une protection anti-radiation.

Comment fonctionne un réacteur nucléaire ?

Le combustible nucléaire, appelé barres de combustible, est placé dans le cœur du réacteur. Ce sont des comprimés formés à partir d'un matériau écrasable et placés dans des tubes minces d'environ 3,5 m de long et 10 mm de diamètre.

Des centaines d’assemblages combustibles similaires sont placés dans le cœur et deviennent des sources d’énergie thermique libérée lors de la réaction en chaîne. Le liquide de refroidissement circulant autour des crayons de combustible forme le premier circuit du réacteur.

Chauffée à des paramètres élevés, elle est pompée dans un générateur de vapeur, où elle transfère son énergie à l'eau du circuit secondaire, la transformant en vapeur. La vapeur résultante fait tourner le turbogénérateur. L'électricité générée par cette unité est transmise au consommateur. Et la vapeur d'échappement, refroidie par l'eau du bassin de refroidissement, sous forme de condensat, retourne au générateur de vapeur. Le cycle est terminé.

Ce fonctionnement en double circuit d'une installation nucléaire élimine la pénétration des rayonnements accompagnant les processus se déroulant dans le cœur au-delà de ses limites.

Ainsi, une chaîne de transformations d'énergie se produit dans le réacteur : énergie nucléaire de la matière fissible → en énergie cinétique des fragments → énergie thermique du liquide de refroidissement → énergie cinétique de la turbine → et en énergie électrique dans le générateur.

Les pertes d'énergie inévitables entraînent Le rendement des centrales nucléaires est relativement faible, 33 à 34 %.

En plus de produire de l'énergie électrique dans les centrales nucléaires, les réacteurs nucléaires sont utilisés pour produire divers isotopes radioactifs, pour la recherche dans de nombreux domaines industriels et pour étudier les paramètres admissibles des réacteurs industriels. Les réacteurs de transport, qui fournissent de l'énergie aux moteurs des véhicules, sont de plus en plus répandus.

Types de réacteurs nucléaires

Généralement, les réacteurs nucléaires fonctionnent à l’uranium U-235. Cependant, sa teneur en matière naturelle est extrêmement faible, seulement 0,7 %. La majeure partie de l'uranium naturel est l'isotope U-238. Seuls les neutrons lents peuvent provoquer une réaction en chaîne dans l'U-235, et l'isotope U-238 n'est divisé que par les neutrons rapides. À la suite de la division du noyau, naissent des neutrons lents et rapides. Les neutrons rapides, soumis à une inhibition dans le liquide de refroidissement (eau), deviennent lents. Mais la quantité d'isotope U-235 dans l'uranium naturel est si faible qu'il est nécessaire de recourir à son enrichissement, portant sa concentration à 3-5 %. Ce procédé est très coûteux et économiquement peu rentable. De plus, le temps nécessaire à l'épuisement des ressources naturelles de cet isotope est estimé à seulement 100-120 ans.

Ainsi, dans l’industrie nucléaire Il y a une transition progressive vers des réacteurs fonctionnant aux neutrons rapides.

Leur principale différence est que les métaux liquides sont utilisés comme caloporteur, ce qui ne ralentit pas les neutrons, et que l'U-238 est utilisé comme combustible nucléaire. Les noyaux de cet isotope passent par une chaîne de transformations nucléaires en Plutonium-239, qui subit une réaction en chaîne au même titre que l'U-235. Autrement dit, le combustible nucléaire est reproduit, et en quantités dépassant sa consommation.

D'après les experts les réserves de l'isotope Uranium-238 devraient suffire pour 3000 ans. Ce temps est suffisant pour que l’humanité ait suffisamment de temps pour développer d’autres technologies.

Problèmes liés à l'utilisation de l'énergie nucléaire

Outre les avantages évidents de l'énergie nucléaire, l'ampleur des problèmes liés à l'exploitation des installations nucléaires ne peut être sous-estimée.

Le premier est élimination des déchets radioactifs et des équipements démantelésénergie nucléaire. Ces éléments ont un rayonnement de fond actif qui persiste pendant une longue période. Pour éliminer ces déchets, des conteneurs spéciaux en plomb sont utilisés. Ils sont censés être enterrés dans des zones de pergélisol jusqu'à 600 mètres de profondeur. Par conséquent, des travaux sont constamment en cours pour trouver un moyen de recycler les déchets radioactifs, ce qui devrait résoudre le problème de l'élimination et contribuer à préserver l'écologie de notre planète.

Le deuxième problème, non moins grave, est assurer la sécurité pendant l'exploitation de la centrale nucléaire. Des accidents majeurs comme Tchernobyl peuvent faire de nombreuses victimes et rendre de vastes territoires inutilisables.

L'accident survenu à la centrale nucléaire japonaise de Fukushima-1 n'a fait que confirmer le danger potentiel qui se manifeste lorsqu'une situation d'urgence survient dans les installations nucléaires.

Cependant, les possibilités de l’énergie nucléaire sont si grandes que les problèmes environnementaux passent au second plan.

Aujourd’hui, l’humanité n’a pas d’autre moyen de satisfaire sa faim énergétique toujours croissante. La base de l’énergie nucléaire du futur sera probablement constituée de réacteurs « rapides » ayant pour fonction de reproduire le combustible nucléaire.

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Le réacteur nucléaire fonctionne de manière fluide et efficace. Sinon, comme vous le savez, il y aura des problèmes. Mais que se passe-t-il à l'intérieur ? Essayons de formuler le principe de fonctionnement d'un réacteur nucléaire (nucléaire) brièvement, clairement, avec des arrêts.

Essentiellement, le même processus s'y produit que lors d'une explosion nucléaire. Seule l'explosion se produit très rapidement, mais dans le réacteur, tout cela s'étend sur longtemps. En conséquence, tout reste sain et sauf et nous recevons de l'énergie. Pas au point que tout serait détruit d'un coup, mais tout à fait suffisant pour fournir de l'électricité à la ville.

Avant de comprendre comment se produit une réaction nucléaire contrôlée, vous devez savoir de quoi il s’agit. réaction nucléaire du tout.

Réaction nucléaire est le processus de transformation (fission) des noyaux atomiques lorsqu'ils interagissent avec des particules élémentaires et des rayons gamma.

Des réactions nucléaires peuvent se produire avec à la fois une absorption et une libération d'énergie. Le réacteur utilise les secondes réactions.

Réacteur nucléaire est un appareil dont le but est de maintenir le contrôle réaction nucléaire avec la libération d'énergie.

Souvent, un réacteur nucléaire est également appelé réacteur atomique. Notons qu'il n'y a pas ici de différence fondamentale, mais du point de vue scientifique, il est plus correct d'utiliser le mot « nucléaire ». Il existe aujourd'hui de nombreux types de réacteurs nucléaires. Il s'agit d'énormes réacteurs industriels conçus pour produire de l'énergie dans les centrales électriques, de réacteurs nucléaires de sous-marins et de petits réacteurs expérimentaux utilisés dans des expériences scientifiques. Il existe même des réacteurs utilisés pour dessaler l’eau de mer.

L'histoire de la création d'un réacteur nucléaire

Le premier réacteur nucléaire a été lancé en 1942, pas si lointaine. Cela s'est produit aux États-Unis sous la direction de Fermi. Ce réacteur s'appelait le "Chicago Woodpile".

En 1946, le premier réacteur soviétique, lancé sous la direction de Kurchatov, entre en service. Le corps de ce réacteur était une boule de sept mètres de diamètre. Les premiers réacteurs n'avaient pas de système de refroidissement et leur puissance était minime. À propos, le réacteur soviétique avait une puissance moyenne de 20 watts et celui américain de seulement 1 watt. A titre de comparaison, la puissance moyenne des réacteurs de puissance modernes est de 5 gigawatts. Moins de dix ans après le lancement du premier réacteur, la première centrale nucléaire industrielle au monde a été inaugurée dans la ville d'Obninsk.

Le principe de fonctionnement d'un réacteur nucléaire (nucléaire)

Tout réacteur nucléaire comporte plusieurs parties : cœur Avec carburant Et modérateur , réflecteur de neutrons , liquide de refroidissement , système de contrôle et de protection . Les isotopes sont le plus souvent utilisés comme combustible dans les réacteurs. uranium (235, 238, 233), plutonium (239) et thorium (232). Le noyau est une chaudière à travers laquelle circule de l'eau ordinaire (liquide de refroidissement). Parmi les autres liquides de refroidissement, « l’eau lourde » et le graphite liquide sont moins couramment utilisés. Si nous parlons du fonctionnement des centrales nucléaires, alors un réacteur nucléaire est utilisé pour produire de la chaleur. L'électricité elle-même est générée de la même manière que dans d'autres types de centrales électriques : la vapeur fait tourner une turbine et l'énergie du mouvement est convertie en énergie électrique.

Vous trouverez ci-dessous un schéma du fonctionnement d'un réacteur nucléaire.

Comme nous l'avons déjà dit, la désintégration d'un noyau lourd d'uranium produit des éléments plus légers et plusieurs neutrons. Les neutrons résultants entrent en collision avec d’autres noyaux, provoquant également leur fission. Dans le même temps, le nombre de neutrons augmente comme une avalanche.

Il faudrait le mentionner ici facteur de multiplication des neutrons . Ainsi, si ce coefficient dépasse une valeur égale à un, une explosion nucléaire se produit. Si la valeur est inférieure à un, il y a trop peu de neutrons et la réaction s'arrête. Mais si vous maintenez la valeur du coefficient égale à un, la réaction se déroulera de manière longue et stable.

La question est comment faire cela ? Dans le réacteur, le combustible se trouve dans ce qu'on appelle éléments combustibles (TVELakh). Ce sont des bâtonnets qui contiennent, sous forme de petits comprimés, combustible nucléaire . Les barres de combustible sont reliées dans des cassettes de forme hexagonale, il peut y en avoir des centaines dans un réacteur. Les cassettes avec crayons combustibles sont disposées verticalement, et chaque crayon combustible dispose d'un système qui permet d'ajuster la profondeur de son immersion dans le cœur. En plus des cassettes elles-mêmes, elles comprennent barres de commande Et barres de protection d'urgence . Les tiges sont constituées d'un matériau qui absorbe bien les neutrons. Ainsi, les barres de contrôle peuvent être abaissées à différentes profondeurs dans le cœur, ajustant ainsi le facteur de multiplication des neutrons. Les barres de secours sont conçues pour arrêter le réacteur en cas d'urgence.

Comment démarre-t-on un réacteur nucléaire ?

Nous avons compris le principe de fonctionnement lui-même, mais comment démarrer et faire fonctionner le réacteur ? En gros, le voici: un morceau d'uranium, mais la réaction en chaîne ne s'y déclenche pas d'elle-même. Le fait est qu'en physique nucléaire, il existe un concept masse critique .

La masse critique est la masse de matière fissile nécessaire pour déclencher une réaction nucléaire en chaîne.

À l'aide de barres de combustible et de barres de commande, une masse critique de combustible nucléaire est d'abord créée dans le réacteur, puis le réacteur est amené au niveau de puissance optimal en plusieurs étapes.

Dans cet article, nous avons essayé de vous donner une idée générale de la structure et du principe de fonctionnement d'un réacteur nucléaire (nucléaire). Si vous avez des questions sur le sujet ou si un problème de physique nucléaire à l'université vous a été posé, veuillez contacter aux spécialistes de notre entreprise. Comme d'habitude, nous sommes prêts à vous aider à résoudre tout problème urgent concernant vos études. Et tant qu’on y est, voici une autre vidéo éducative à votre attention !

L'immense énergie d'un minuscule atome

« Bonne science - physique ! Seule la vie est courte. » Ces mots appartiennent à un scientifique qui a fait un travail surprenant en physique. Un académicien les a dit un jour Igor Vassilievitch Kourtchatov, créateur du premier au monde centrale nucléaire.

Le 27 juin 1954, cette centrale électrique unique en son genre entre en service. L’humanité dispose désormais d’une autre source puissante d’électricité.

Le chemin vers la maîtrise de l’énergie de l’atome était long et difficile. Cela a commencé dans les premières décennies du XXe siècle avec la découverte de la radioactivité naturelle par les Curie, avec les postulats de Bohr, le modèle planétaire de l'atome de Rutherford et la preuve de ce qui semble aujourd'hui être une évidence : le noyau de tout atome est constitué de protons chargés positivement et neutrons neutres.

En 1934, le couple Frédéric et Irène Joliot-Curie (fille de Marie Skłodowska-Curie et Pierre Curie) découvrent que les bombarder de particules alpha (les noyaux des atomes d'hélium) pouvait transformer des éléments chimiques ordinaires en éléments radioactifs. Le nouveau phénomène s'appelle radioactivité artificielle.

I.V. Kurchatov (à droite) et A.I. Alikhanov (au centre) avec leur professeur A.F. Ioffe. (Début des années 30.)

Si un tel bombardement est effectué avec des particules très rapides et lourdes, alors une cascade de transformations chimiques commence. Les éléments à radioactivité artificielle céderont progressivement la place à des éléments stables qui ne se désintégreront plus.

Avec l'aide de l'irradiation ou du bombardement, il est facile de réaliser le rêve des alchimistes : fabriquer de l'or à partir d'autres éléments chimiques. Seul le coût d’une telle transformation dépassera largement le prix de l’or obtenu…

Fission nucléaire de l'uranium

Ce qui a été découvert en 1938-1939 par un groupe de physiciens et chimistes allemands a apporté davantage de bénéfices (et, malheureusement, d'anxiété) à l'humanité. fission des noyaux d'uranium. Lorsqu'ils sont irradiés par des neutrons, les noyaux lourds d'uranium se désintègrent en éléments chimiques plus légers appartenant à la partie médiane du tableau périodique de Mendeleïev et libèrent plusieurs neutrons. Pour les noyaux des éléments légers, ces neutrons s'avèrent superflus... Lorsque les noyaux d'uranium se « divisent », une réaction en chaîne peut se déclencher : chacun des deux ou trois neutrons résultants est capable, à son tour, de produire plusieurs neutrons, tombant dans le noyau d'un atome voisin.

La masse totale des produits d'une telle réaction nucléaire s'est avérée, comme les scientifiques l'ont calculé, inférieure à la masse des noyaux de la substance d'origine - l'uranium.

D'après l'équation d'Einstein, qui relie la masse à l'énergie, on peut facilement déterminer qu'une énorme énergie doit être libérée dans ce cas ! Et cela se produira dans un délai très court. Si, bien sûr, la réaction en chaîne devient incontrôlable et va jusqu'au bout...

En promenade après la conférence, E. Fermi (à droite) avec son élève B. Pontecorvo. (Bâle, 1949)

Il fut l'un des premiers à apprécier les énormes capacités physiques et techniques cachées dans le processus de fission de l'uranium. Enrico Fermi, dans ces lointaines années trente de notre siècle, encore très jeune, mais déjà reconnu comme le chef de l'école italienne des physiciens. Bien avant la Seconde Guerre mondiale, lui et un groupe de collaborateurs talentueux ont étudié le comportement de diverses substances sous irradiation neutronique et ont déterminé que l'efficacité du processus de fission de l'uranium pouvait être considérablement augmentée... en ralentissant le mouvement des neutrons. Aussi étrange que cela puisse paraître à première vue, à mesure que la vitesse des neutrons diminue, la probabilité de leur capture par les noyaux d'uranium augmente. Les « modérateurs » efficaces de neutrons sont des substances tout à fait accessibles : paraffine, carbone, eau...

Après avoir déménagé aux États-Unis, Fermi a continué à être le cerveau et le cœur de la recherche nucléaire menée là-bas. Deux talents, généralement exclusifs l'un de l'autre, étaient réunis chez Fermi : un théoricien hors pair et un brillant expérimentateur. "Il faudra encore beaucoup de temps avant que nous puissions voir son égal", a écrit l'éminent scientifique W. Zinn après la mort prématurée de Fermi des suites d'une tumeur maligne en 1954, à l'âge de 53 ans.

Une équipe de scientifiques qui s'est ralliée à Fermi pendant la Seconde Guerre mondiale a décidé de créer une arme d'une puissance destructrice sans précédent basée sur la réaction en chaîne de la fission de l'uranium - bombe atomique. Les scientifiques étaient pressés : et si l’Allemagne nazie parvenait à produire de nouvelles armes avant tout le monde et les utilisait dans sa quête inhumaine d’asservissement d’autres peuples ?

Construction d'un réacteur nucléaire dans notre pays

Déjà en 1942, les scientifiques avaient réussi à l'assembler et à le lancer sur le territoire du stade de l'Université de Chicago. premier réacteur nucléaire. Les barres d'uranium dans le réacteur étaient entrecoupées de "briques" de carbone - des modérateurs, et si la réaction en chaîne devenait encore trop violente, elle pourrait être rapidement arrêtée en introduisant des plaques de cadmium dans le réacteur, qui séparaient les barres d'uranium et absorbaient complètement les neutrons.

Les chercheurs étaient très fiers des adaptations simples du réacteur qu’ils ont réalisées, et qui font désormais sourire. L'un des collaborateurs de Fermi à Chicago, le célèbre physicien G. Anderson, rappelle que l'étain de cadmium était cloué sur un bloc de bois qui, si nécessaire, tombait instantanément dans la chaudière sous l'influence de sa propre gravité, ce qui était la raison pour lui donner le nom «instantané». G. Anderson écrit : « Avant de démarrer la chaudière, cette tige aurait dû être tirée vers le haut et fixée avec une corde. En cas d’accident, la corde pourrait être coupée et le « moment » prendrait sa place à l’intérieur de la chaudière.

Une réaction en chaîne contrôlée a été réalisée dans un réacteur nucléaire, et les calculs théoriques et les prévisions ont été testés. Une chaîne de transformations chimiques s'est produite dans le réacteur, à la suite de laquelle un nouvel élément chimique, le plutonium, s'est accumulé. Tout comme l'uranium, il peut être utilisé pour créer une bombe atomique.

Les scientifiques ont déterminé qu'il existe une « masse critique » d'uranium ou de plutonium. S'il y a une quantité suffisamment grande de substance atomique, la réaction en chaîne conduit à une explosion ; si elle est petite, inférieure à la « masse critique », alors simplement de la chaleur est libérée.

Construction d'une centrale nucléaire

Dans une bombe atomique de conception la plus simple, deux morceaux d'uranium ou de plutonium sont placés côte à côte et la masse de chacun est légèrement inférieure à celle critique. Au bon moment, la mèche d'un explosif conventionnel relie les morceaux, la masse de combustible atomique dépasse une valeur critique - et la libération d'une énergie destructrice d'une force monstrueuse se produit instantanément...

Un rayonnement lumineux éblouissant, une onde de choc qui a tout balayé sur son passage et un rayonnement radioactif pénétrant ont frappé les habitants de deux villes japonaises - Hiroshima et Nagasaki - après l'explosion des bombes atomiques américaines en 1945, suscitant l'anxiété dans le cœur des gens quant à la conséquences terribles de l’emploi des bombes atomiques.

Sous la direction scientifique unificatrice de I.V. Kurchatov, les physiciens soviétiques ont développé des armes atomiques.

Mais le responsable de ces travaux n'a pas cessé de réfléchir à l'utilisation pacifique de l'énergie atomique. Après tout, un réacteur nucléaire doit être intensément refroidi, alors pourquoi ne pas « donner » cette chaleur à une turbine à vapeur ou à gaz ou l'utiliser pour chauffer des maisons ?

Des tubes contenant du métal liquide à bas point de fusion ont été passés dans un réacteur nucléaire. Le métal chauffé est entré dans l’échangeur de chaleur, où il a transféré sa chaleur à l’eau. L’eau s’est transformée en vapeur surchauffée et la turbine a commencé à fonctionner. Le réacteur était entouré d'une coque de protection en béton avec une charge métallique : les rayonnements radioactifs ne devaient pas s'échapper à l'extérieur.

Le réacteur nucléaire s'est transformé en centrale nucléaire, apportant aux gens une lumière calme, une chaleur agréable et la paix souhaitée...

Pour comprendre le principe de fonctionnement et la conception d'un réacteur nucléaire, il faut faire une petite excursion dans le passé. Un réacteur nucléaire est un rêve vieux de plusieurs siècles, bien que pas entièrement réalisé, de l'humanité concernant une source d'énergie inépuisable. Son ancien « ancêtre » est un feu fait de branches sèches, qui illuminait et réchauffait autrefois les voûtes de la grotte où nos lointains ancêtres trouvèrent le salut du froid. Plus tard, les gens ont maîtrisé les hydrocarbures - charbon, schiste, pétrole et gaz naturel.

Une ère turbulente mais de courte durée de la vapeur a commencé, qui a été remplacée par une ère encore plus fantastique de l'électricité. Les villes étaient remplies de lumière et les ateliers étaient remplis du bourdonnement de machines jusqu'alors inédites entraînées par des moteurs électriques. Il semblait alors que le progrès avait atteint son apogée.

Tout change à la fin du XIXe siècle, lorsque le chimiste français Antoine Henri Becquerel découvre par hasard que les sels d'uranium sont radioactifs. 2 ans plus tard, ses compatriotes Pierre Curie et son épouse Maria Sklodowska-Curie en obtenaient du radium et du polonium, et leur niveau de radioactivité était des millions de fois supérieur à celui du thorium et de l'uranium.

Le relais a été repris par Ernest Rutherford, qui a étudié en détail la nature des rayons radioactifs. Ainsi commença l’ère de l’atome, qui donna naissance à son enfant bien-aimé : le réacteur atomique.

Premier réacteur nucléaire

« Firstborn » vient des États-Unis. En décembre 1942, le premier courant fut généré par le réacteur, qui reçut le nom de son créateur - l'un des les plus grands physiciens siècle E. Fermi. Trois ans plus tard, la centrale nucléaire ZEEP prenait vie au Canada. Le «bronze» a été attribué au premier réacteur soviétique F-1, lancé fin 1946. I.V. Kurchatov est devenu le chef du projet nucléaire national. Aujourd’hui, plus de 400 centrales nucléaires fonctionnent avec succès dans le monde.

Types de réacteurs nucléaires

Leur objectif principal est de soutenir une réaction nucléaire contrôlée produisant de l’électricité. Certains réacteurs produisent des isotopes. Bref, ce sont des dispositifs au fond desquels certaines substances se transforment en d'autres avec dégagement grande quantité l'énérgie thermique. C'est une sorte de « four », où au lieu de types traditionnels Le combustible « brûle » les isotopes de l’uranium – U-235, U-238 et plutonium (Pu).

Contrairement, par exemple, à une voiture conçue pour plusieurs types d'essence, chaque type de combustible radioactif possède son propre type de réacteur. Il y en a deux - sur les neutrons lents (avec U-235) et rapides (avec U-238 et Pu). La plupart des centrales nucléaires disposent de réacteurs à neutrons lents. Outre les centrales nucléaires, des installations « fonctionnent » dans des centres de recherche, sur des sous-marins nucléaires, etc.

Comment fonctionne le réacteur

Tous les réacteurs ont à peu près le même circuit. Son « cœur » est la zone active. Il peut être grossièrement comparé au foyer d’un poêle conventionnel. Seulement, au lieu du bois de chauffage, il existe du combustible nucléaire sous forme d'éléments combustibles avec un modérateur - des barres de combustible. La zone active est située à l'intérieur d'une sorte de capsule - un réflecteur de neutrons. Les barres de combustible sont « lavées » par le liquide de refroidissement – ​​l’eau. Le « cœur » ayant un niveau de radioactivité très élevé, il est entouré d’une radioprotection fiable.

Les opérateurs contrôlent le fonctionnement de l'usine à l'aide de deux systèmes critiques : le contrôle de la réaction en chaîne et un système de contrôle à distance. En cas d'urgence, la protection d'urgence est activée instantanément.

Comment fonctionne un réacteur ?

La « flamme » atomique est invisible, puisque les processus se produisent au niveau de la fission nucléaire. Au cours d'une réaction en chaîne, les noyaux lourds se désintègrent en fragments plus petits qui, étant dans un état excité, deviennent des sources de neutrons et d'autres particules subatomiques. Mais le processus ne s’arrête pas là. Les neutrons continuent de se « diviser », ce qui libère de grandes quantités d'énergie, ce qui est la raison pour laquelle les centrales nucléaires sont construites.

La tâche principale du personnel est de maintenir la réaction en chaîne à l'aide de barres de commande à un niveau constant et réglable. C'est sa principale différence avec une bombe atomique, où le processus de désintégration nucléaire est incontrôlable et se déroule rapidement, sous la forme d'une puissante explosion.

Que s'est-il passé à la centrale nucléaire de Tchernobyl

L'une des principales raisons de la catastrophe de la centrale nucléaire de Tchernobyl en avril 1986 était une violation flagrante des règles de sécurité de fonctionnement lors de la maintenance de routine de la 4e tranche. Ensuite, 203 tiges de graphite ont été simultanément retirées du noyau au lieu des 15 autorisées par la réglementation. En conséquence, la réaction en chaîne incontrôlable qui a commencé s'est soldée par une explosion thermique et la destruction complète du groupe motopropulseur.

Réacteurs de nouvelle génération

Au cours de la dernière décennie, la Russie est devenue l’un des leaders mondiaux de l’énergie nucléaire. Sur ce moment La société d'État Rosatom construit des centrales nucléaires dans 12 pays, où 34 unités sont en cours de construction. Une demande aussi élevée témoigne du haut niveau de la technologie nucléaire russe moderne. Viennent ensuite les nouveaux réacteurs de 4e génération.

"Brest"

L'un d'eux est Brest, développé dans le cadre du projet Breakthrough. Les systèmes à cycle ouvert actuels fonctionnent avec de l'uranium faiblement enrichi, ce qui oblige à éliminer de grandes quantités de combustible usé à des coûts énormes. "Brest" - un réacteur à neutrons rapides est unique dans son cycle fermé.

Dans ce document, le combustible usé, après un traitement approprié dans un réacteur à neutrons rapides, redevient du combustible à part entière, qui peut être rechargé dans la même installation.

Brest se distingue par un haut niveau de sécurité. Il n'« explosera » jamais même lors de l'accident le plus grave, il est très économique et respectueux de l'environnement, puisqu'il réutilise son uranium « renouvelé ». Il ne peut pas non plus être utilisé pour produire du plutonium de qualité militaire, ce qui ouvre les plus larges perspectives d’exportation.

VVER-1200

VVER-1200 est un réacteur innovant de génération 3+ d'une capacité de 1 150 MW. Grâce à ses capacités techniques uniques, il offre une sécurité de fonctionnement quasi absolue. Le réacteur est largement équipé de systèmes de sécurité passive qui fonctionneront automatiquement même en l'absence d'alimentation électrique.

L'un d'eux est un système d'évacuation de chaleur passif, qui est automatiquement activé lorsque le réacteur est complètement hors tension. Dans ce cas, des réservoirs hydrauliques de secours sont prévus. S'il y a une chute de pression anormale dans le circuit primaire, une grande quantité d'eau contenant du bore commence à être fournie au réacteur, ce qui éteint la réaction nucléaire et absorbe les neutrons.

Un autre savoir-faire se situe dans la partie inférieure de la coque de protection - le « piège » à fusion. Si, à la suite d'un accident, le noyau « fuit », le « piège » ne permettra pas l'effondrement de l'enveloppe de confinement et empêchera les produits radioactifs de pénétrer dans le sol.

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Qu'est-ce qu'un réacteur nucléaire ?

Un réacteur nucléaire, anciennement connu sous le nom de « chaudière nucléaire », est un dispositif utilisé pour déclencher et contrôler une réaction nucléaire en chaîne soutenue. Les réacteurs nucléaires sont utilisés dans les centrales nucléaires pour produire de l'électricité et pour la propulsion des navires. La chaleur de la fission nucléaire est transférée à un fluide actif (eau ou gaz) qui passe dans des turbines à vapeur. L'eau ou le gaz mettent les pales du navire en mouvement ou font tourner les générateurs électriques. La vapeur générée par une réaction nucléaire peut en principe être utilisée pour l'industrie thermique ou pour le chauffage urbain. Certains réacteurs sont utilisés pour produire des isotopes utilisés à des fins médicales et industrielles ou pour produire du plutonium de qualité militaire. Certains d'entre eux sont uniquement destinés à des fins de recherche. Aujourd’hui, environ 450 réacteurs nucléaires sont utilisés pour produire de l’électricité dans une trentaine de pays à travers le monde.

Principe de fonctionnement d'un réacteur nucléaire

Tout comme les centrales électriques conventionnelles produisent de l'électricité en utilisant l'énergie thermique libérée par la combustion de combustibles fossiles, les réacteurs nucléaires convertissent l'énergie libérée par la fission nucléaire contrôlée en énergie thermique pour une conversion ultérieure sous forme mécanique ou électrique.

Le processus de fission nucléaire

Lorsqu’un nombre important de noyaux atomiques en décomposition (comme l’uranium 235 ou le plutonium 239) absorbent un neutron, une fission nucléaire peut se produire. Un noyau lourd se décompose en deux ou plusieurs noyaux légers (produits de fission), libérant de l'énergie cinétique, des rayonnements gamma et des neutrons libres. Certains de ces neutrons peuvent ensuite être absorbés par d’autres atomes fissiles et provoquer une nouvelle fission, qui libère encore plus de neutrons, et ainsi de suite. Ce processus est connu sous le nom de réaction nucléaire en chaîne.

Pour contrôler une telle réaction nucléaire en chaîne, les absorbeurs et modérateurs de neutrons peuvent modifier la proportion de neutrons qui servent à fissionner davantage de noyaux. Les réacteurs nucléaires sont contrôlés manuellement ou automatiquement pour pouvoir arrêter la réaction de désintégration lorsque des situations dangereuses sont détectées.

Les régulateurs de flux de neutrons couramment utilisés sont l'eau ordinaire (« légère ») (74,8 % des réacteurs dans le monde), le graphite solide (20 % des réacteurs) et l'eau « lourde » (5 % des réacteurs). Dans certains types expérimentaux de réacteurs, il est proposé d'utiliser du béryllium et des hydrocarbures.

Dégagement de chaleur dans un réacteur nucléaire

La zone de travail du réacteur génère de la chaleur de plusieurs manières :

• L'énergie cinétique des produits de fission est convertie en énergie thermique lorsque les noyaux entrent en collision avec les atomes voisins.
• Le réacteur absorbe une partie du rayonnement gamma généré lors de la fission et convertit son énergie en chaleur.
• La chaleur est générée par la désintégration radioactive des produits de fission et des matériaux exposés lors de l'absorption des neutrons. Cette source de chaleur restera inchangée pendant un certain temps, même après l'arrêt du réacteur.

Lors de réactions nucléaires, un kilogramme d'uranium 235 (U-235) libère environ trois millions de fois plus d'énergie qu'un kilogramme de charbon brûlé de manière conventionnelle (7,2 × 1 013 joules par kilogramme d'uranium 235 contre 2,4 × 107 joules par kilogramme de charbon) ,

Système de refroidissement du réacteur nucléaire

Le liquide de refroidissement d'un réacteur nucléaire – généralement de l'eau, mais parfois du gaz, du métal liquide (comme le sodium liquide) ou du sel fondu – circule autour du cœur du réacteur pour absorber la chaleur générée. La chaleur est évacuée du réacteur puis utilisée pour générer de la vapeur. La plupart des réacteurs utilisent un système de refroidissement physiquement isolé de l'eau qui bout et génère la vapeur utilisée pour les turbines, comme un réacteur à eau sous pression. Cependant, dans certains réacteurs, l'eau des turbines à vapeur bout directement dans le cœur du réacteur ; par exemple, dans un réacteur du type à eau sous pression.

Surveillance du flux neutronique dans le réacteur

La puissance du réacteur est régulée en contrôlant le nombre de neutrons capables de provoquer davantage de fissions.

Des barres de contrôle, constituées de « poison neutronique », sont utilisées pour absorber les neutrons. Plus la barre de contrôle absorbe de neutrons, moins il y a de neutrons susceptibles de provoquer une fission supplémentaire. Ainsi, immerger profondément les barres d’absorption dans le réacteur réduit sa puissance de sortie et, à l’inverse, retirer la barre de commande va l’augmenter.

Au premier niveau de contrôle de tous les réacteurs nucléaires, le processus d'émission retardée de neutrons provenant d'un certain nombre d'isotopes de fission enrichis en neutrons est un processus physique important. Ces neutrons retardés représentent environ 0,65 % du nombre total de neutrons produits par la fission, tandis que le reste (appelé « neutrons rapides ») est produit immédiatement lors de la fission. Les produits de fission qui forment les neutrons retardés ont des demi-vies allant de quelques millisecondes à plusieurs minutes, et il faut donc un temps considérable pour déterminer avec précision quand le réacteur atteint point critique. Le maintien du réacteur en mode réactivité en chaîne, où des neutrons retardés sont nécessaires pour atteindre la masse critique, est réalisé à l'aide de dispositifs mécaniques ou de contrôle humain pour contrôler la réaction en chaîne en « temps réel » ; sinon, le temps entre l'atteinte du point critique et la fonte du cœur du réacteur nucléaire en raison de la surtension exponentielle lors d'une réaction nucléaire en chaîne normale sera trop court pour intervenir. Cette étape finale, où les neutrons retardés ne sont plus nécessaires pour maintenir la criticité, est connue sous le nom de criticité rapide des neutrons. Il existe une échelle pour décrire la criticité sous forme numérique, dans laquelle la criticité initiale est désignée par « zéro dollar », la criticité rapide par « un dollar », les autres points du processus sont interpolés en « cents ».

Dans certains réacteurs, le liquide de refroidissement agit également comme modérateur de neutrons. Le modérateur augmente la puissance du réacteur en faisant perdre de l'énergie aux neutrons rapides libérés lors de la fission et en neutrons thermiques. Les neutrons thermiques sont plus susceptibles que les neutrons rapides de provoquer une fission. Si le liquide de refroidissement est également un modérateur de neutrons, les changements de température peuvent affecter la densité du liquide de refroidissement/modérateur et donc la modification de la puissance du réacteur. Plus la température du liquide de refroidissement est élevée, moins il sera dense, et donc moins le ralentisseur sera efficace.

Dans d'autres types de réacteurs, le liquide de refroidissement agit comme un « poison neutronique », absorbant les neutrons de la même manière que les barres de commande. Dans ces réacteurs, la puissance de sortie peut être augmentée en chauffant le liquide de refroidissement, le rendant ainsi moins dense. Les réacteurs nucléaires disposent généralement de systèmes automatiques et manuels pour arrêter le réacteur en cas d'arrêt d'urgence. Ces systèmes placent de grandes quantités de « poison neutronique » (souvent du bore sous forme d'acide borique) dans le réacteur afin d'arrêter le processus de fission si des conditions dangereuses sont détectées ou suspectées.

La plupart des types de réacteurs sont sensibles à un processus connu sous le nom de « fosse à xénon » ou « fosse à iode ». Le produit de désintégration très répandu, le xénon-135, issu de la réaction de fission, joue le rôle d'un absorbeur de neutrons qui tend à arrêter le réacteur. L'accumulation de xénon 135 peut être contrôlée en maintenant un niveau de puissance suffisamment élevé pour le détruire en absorbant les neutrons aussi rapidement qu'il est produit. La fission entraîne également la formation d'iode 135, qui à son tour se désintègre (avec une demi-vie de 6,57 heures) pour former du xénon 135. Lorsque le réacteur est arrêté, l'iode 135 continue de se désintégrer pour former du xénon 135, ce qui rend le redémarrage du réacteur plus difficile en un jour ou deux, car le xénon 135 se désintègre pour former du césium 135, qui n'est pas un absorbeur de neutrons comme le xénon. -135,135, avec une demi-vie de 9,2 heures. Cet état temporaire est un « trou d’iode ». Si le réacteur dispose d’une puissance supplémentaire suffisante, il peut être redémarré. Plus le xénon 135 se transforme en xénon 136, qui est moins absorbeur de neutrons, et en quelques heures le réacteur subit ce qu'on appelle une « étape de combustion du xénon ». De plus, des barres de contrôle doivent être insérées dans le réacteur pour compenser l’absorption des neutrons afin de remplacer le xénon 135 perdu. Le non-respect d’une telle procédure a été l’une des principales causes de l’accident de Tchernobyl.

Les réacteurs utilisés dans les centrales nucléaires embarquées (en particulier les sous-marins nucléaires) ne peuvent souvent pas fonctionner en continu pour produire de l'électricité de la même manière que les réacteurs de puissance terrestres. De plus, ces centrales électriques doivent avoir une longue période de fonctionnement sans changement de combustible. Pour cette raison, de nombreux modèles utilisent de l'uranium hautement enrichi mais contiennent un absorbeur de neutrons combustible dans les barres de combustible. Cela permet de concevoir un réacteur avec un excès de matière fissile, qui est relativement sûr au début de la combustion du cycle du combustible du réacteur en raison de la présence d'un matériau absorbant les neutrons, qui est ensuite remplacé par un matériau classique à longue durée de vie. des absorbeurs de neutrons (plus durables que le xénon 135), qui s'accumulent progressivement au cours de la durée de vie du combustible.

Comment est produite l’électricité ?

L'énergie générée lors de la fission génère de la chaleur, dont une partie peut être convertie en énergie utile. Une méthode courante d'utilisation de cette énergie thermique consiste à l'utiliser pour faire bouillir de l'eau et produire de la vapeur sous pression, qui à son tour entraîne une turbine à vapeur, qui fait tourner un alternateur et produit de l'électricité.

L'histoire des premiers réacteurs

Les neutrons ont été découverts en 1932. Le schéma de réaction en chaîne déclenché par des réactions nucléaires suite à une exposition aux neutrons a été mis en œuvre pour la première fois par le scientifique hongrois Leo Sillard en 1933. Il a déposé une demande de brevet pour son idée simple de réacteur au cours de l'année suivante de travail à l'Amirauté de Londres. Cependant, l'idée de Szilard n'incluait pas la théorie de la fission nucléaire comme source de neutrons, puisque ce processus n'avait pas encore été découvert. Les idées de Szilard concernant des réacteurs nucléaires utilisant des réactions nucléaires en chaîne médiées par des neutrons dans des éléments légers se sont révélées irréalisables.

L'impulsion pour la création d'un nouveau type de réacteur utilisant l'uranium a été la découverte de Lise Meitner, Fritz Strassmann et Otto Hahn en 1938, qui ont « bombardé » l'uranium avec des neutrons (en utilisant la réaction de désintégration alpha du béryllium, un « canon à neutrons ») pour produire le baryum, qu'ils croyaient provenir de la désintégration des noyaux d'uranium. Des recherches ultérieures au début de 1939 (Szilard et Fermi) montrèrent que certains neutrons étaient également produits par fission atomique, rendant possible la réaction nucléaire en chaîne envisagée par Szilard six ans plus tôt.

Le 2 août 1939, Albert Einstein a signé une lettre écrite par Szilard au président Franklin D. Roosevelt, qui déclarait que la découverte de la fission de l'uranium pourrait conduire à la création de « bombes extrêmement puissantes d'un nouveau type ». Cela a donné une impulsion à l'étude des réacteurs et de la désintégration radioactive. Szilard et Einstein se connaissaient bien et travaillaient ensemble depuis de nombreuses années, mais Einstein n'avait jamais pensé à cette possibilité d'énergie nucléaire jusqu'à ce que Szilard l'informe au début de sa quête d'écrire une lettre à Einstein-Szilard pour avertir le gouvernement américain,

Peu de temps après, en 1939, l’Allemagne hitlérienne attaqua la Pologne, déclenchant la Seconde Guerre mondiale en Europe. Les États-Unis n'étaient pas encore officiellement en guerre, mais en octobre, lorsque la lettre d'Einstein-Szilard fut remise, Roosevelt nota que le but de l'étude était de s'assurer que « les nazis ne nous feront pas exploser ». Le projet nucléaire américain a démarré, bien qu’avec un certain retard, en raison du scepticisme persistant (en particulier de la part de Fermi) et du petit nombre de responsables gouvernementaux qui ont initialement supervisé le projet.

L'année suivante, le gouvernement américain a reçu du Royaume-Uni le mémorandum Frisch-Peierls, qui déclarait que la quantité d'uranium nécessaire pour réaliser la réaction en chaîne était bien inférieure à ce que l'on pensait auparavant. Le mémorandum a été rédigé avec la participation du comité Maud, qui a travaillé sur le projet de bombe atomique en Grande-Bretagne, connu plus tard sous le nom de code « Tube Alloys » et inclus plus tard dans le projet Manhattan.

Finalement, le premier réacteur nucléaire artificiel, appelé Chicago Woodpile 1, fut construit à l'Université de Chicago par une équipe dirigée par Enrico Fermi à la fin de 1942. À cette époque, le programme atomique américain avait déjà été accéléré en raison de l'adhésion du pays. dans la guerre. Le Chicago Woodpile a atteint son point critique le 2 décembre 1942, à 15h25. La charpente du réacteur était en bois, retenant ensemble un empilement de blocs de graphite (d'où son nom) avec des « briquettes » ou « pseudo-sphères » imbriquées d'oxyde d'uranium naturel.

À partir de 1943, peu après la création du Chicago Woodpile, l’armée américaine a développé une série de réacteurs nucléaires pour le projet Manhattan. L'objectif principal des plus grands réacteurs (situés dans le complexe de Hanford, dans l'État de Washington) était de produire en masse du plutonium destiné aux armes nucléaires. Fermi et Szilard déposèrent une demande de brevet pour les réacteurs le 19 décembre 1944. Son obtention fut retardée de 10 ans en raison du secret de guerre.

"World's First" est l'inscription sur le site du réacteur EBR-I, qui est maintenant un musée près d'Arco, dans l'Idaho. Initialement appelé Chicago Woodpile 4, ce réacteur a été créé sous la direction de Walter Sinn pour le laboratoire national d'Aregon. Ce réacteur expérimental surgénérateur rapide était exploité par la Commission américaine de l'énergie atomique. Le réacteur a produit 0,8 kW de puissance lors de ses tests le 20 décembre 1951 et 100 kW de puissance (électrique) le lendemain, avec une capacité nominale de 200 kW (puissance électrique).

Outre l’utilisation militaire des réacteurs nucléaires, il existe des raisons politiques de poursuivre la recherche sur l’énergie atomique à des fins pacifiques. Le président américain Dwight Eisenhower a prononcé son célèbre discours « Des atomes pour la paix » devant l'Assemblée générale des Nations Unies le 8 décembre 1953. Cette démarche diplomatique a conduit à la diffusion de la technologie des réacteurs aux États-Unis et dans le monde.

La première centrale nucléaire construite à des fins civiles fut la centrale nucléaire AM-1 d'Obninsk, lancée le 27 juin 1954 en Union soviétique. Elle produisait environ 5 MW d'énergie électrique.

Après la Seconde Guerre mondiale, l’armée américaine a cherché d’autres applications pour la technologie des réacteurs nucléaires. Les recherches menées par l'armée et l'armée de l'air n'ont pas été mises en œuvre ; Cependant, la marine américaine a réussi à lancer le sous-marin nucléaire USS Nautilus (SSN-571) le 17 janvier 1955.

La première centrale nucléaire commerciale (Calder Hall à Sellafield, Angleterre) a ouvert ses portes en 1956 avec une capacité initiale de 50 MW (plus tard 200 MW).

Le premier réacteur nucléaire portable, l'Alco PM-2A, a été utilisé pour produire de l'électricité (2 MW) pour la base militaire américaine Camp Century en 1960.

Principaux composants d'une centrale nucléaire

Les principaux composants de la plupart des types de centrales nucléaires sont :

Éléments de réacteur nucléaire

• Combustible nucléaire (cœur de réacteur nucléaire ; modérateur de neutrons)
• Source de neutrons originale
• Absorbeur de neutrons
• Canon à neutrons (fournit une source constante de neutrons pour relancer la réaction après l'arrêt)
• Système de refroidissement (souvent le modérateur de neutrons et le liquide de refroidissement sont la même chose, généralement de l'eau purifiée)
• Barres de commande
• Cuve de réacteur nucléaire (NRP)

Pompe d'alimentation en eau de chaudière

• Générateurs de vapeur (pas dans les réacteurs nucléaires à eau bouillante)
• Turbine à vapeur
• Générateur d'électricité
• Condensateur
• Tour de refroidissement (pas toujours nécessaire)
• Système de traitement des déchets radioactifs (partie de la station de stockage des déchets radioactifs)
• Site de rechargement de combustible nucléaire
• Piscine de combustible usé

Système de radioprotection

• Système de protection du recteur (RPS)
• Générateurs diesel de secours
• Système de refroidissement d'urgence du cœur du réacteur (ECCS)
• Système de contrôle des liquides d'urgence (injection de bore d'urgence, uniquement dans les réacteurs nucléaires à eau bouillante)
• Système de fourniture d'eau de procédé aux consommateurs responsables (SOTVOP)

Coque de protection

• Télécommande
• Installation d'urgence
• Complexe de formation nucléaire (en règle générale, il existe un panneau de contrôle d'imitation)

Classifications des réacteurs nucléaires

Types de réacteurs nucléaires

Les réacteurs nucléaires sont classés de plusieurs manières ; résumé Ces méthodes de classification sont présentées ci-dessous.

Classification des réacteurs nucléaires par type de modérateur

Réacteurs thermiques utilisés :

• Réacteurs à graphite
  
• Réacteurs à eau sous pression
• Réacteurs à eau lourde(utilisé au Canada, en Inde, en Argentine, en Chine, au Pakistan, en Roumanie et Corée du Sud).
• Réacteurs à eau légère(LVR). Les réacteurs à eau légère (le type de réacteur thermique le plus courant) utilisent de l'eau ordinaire pour contrôler et refroidir les réacteurs. Si la température de l’eau augmente, sa densité diminue, ralentissant suffisamment le flux de neutrons pour provoquer d’autres réactions en chaîne. Cette rétroaction négative stabilise la vitesse de la réaction nucléaire. Les réacteurs à graphite et à eau lourde ont tendance à chauffer plus intensément que les réacteurs à eau légère. Grâce au chauffage supplémentaire, ces réacteurs peuvent utiliser de l'uranium naturel/du combustible non enrichi.
• Réacteurs basés sur des modérateurs d'éléments légers.
• Réacteurs modérés aux sels fondus(MSR) sont dus à la présence d'éléments légers tels que le lithium ou le béryllium, que l'on retrouve dans les sels matriciels du liquide de refroidissement/carburant LiF et BEF2.
• Réacteurs avec refroidisseurs à métal liquide, où le liquide de refroidissement est un mélange de plomb et de bismuth, peut utiliser l'oxyde de BeO comme absorbeur de neutrons.
• Réacteurs à base de modérateur organique(OMR) utilisent du biphényle et du terphényle comme modérateurs et composants de refroidissement.

Classification des réacteurs nucléaires par type de caloporteur

• Réacteur refroidi à l'eau. Il y a 104 réacteurs en activité aux États-Unis. Parmi eux, 69 sont des réacteurs à eau sous pression (REP) et 35 sont des réacteurs à eau bouillante (REB). Les réacteurs nucléaires à eau sous pression (REP) constituent la grande majorité de toutes les centrales nucléaires occidentales. La principale caractéristique du type RVD est la présence d'un compresseur, un récipient spécial à haute pression. La plupart des réacteurs RVD commerciaux et des installations de réacteurs navals utilisent des compresseurs. Pendant le fonctionnement normal, le ventilateur est partiellement rempli d'eau et une bulle de vapeur est maintenue au-dessus, créée en chauffant l'eau avec des thermoplongeurs. En mode normal, le compresseur est relié à la cuve du réacteur haute pression (HRVV) et le compensateur de pression assure la présence d'une cavité en cas de modification du volume d'eau dans le réacteur. Ce schéma permet également de contrôler la pression dans le réacteur en augmentant ou en diminuant la pression de vapeur dans le compensateur à l'aide de réchauffeurs.

• Réacteurs à eau lourde haute pression appartiennent à un type de réacteur à eau sous pression (REP), combinant les principes d'utilisation de la pression, un cycle thermique isolé, supposant l'utilisation d'eau lourde comme caloporteur et modérateur, ce qui est économiquement avantageux.
• Réacteur à eau bouillante(BWR). Les modèles de réacteurs à eau bouillante se caractérisent par la présence d’eau bouillante autour des barres de combustible au fond de la cuve principale du réacteur. Le réacteur à eau bouillante utilise comme combustible de l'235U enrichi, sous forme de dioxyde d'uranium. Le combustible est assemblé en barres placées dans une cuve en acier, elle-même immergée dans l’eau. Le processus de fission nucléaire provoque l’ébullition de l’eau et la formation de vapeur. Cette vapeur passe par des canalisations dans des turbines. Les turbines sont entraînées par la vapeur et ce processus génère de l'électricité. Pendant le fonctionnement normal, la pression est contrôlée par la quantité de vapeur d’eau s’écoulant de la cuve sous pression du réacteur vers la turbine.
• Réacteur de type piscine
• Réacteur refroidi par métal liquide. L’eau étant un modérateur de neutrons, elle ne peut pas être utilisée comme liquide de refroidissement dans un réacteur à neutrons rapides. Les liquides de refroidissement métalliques comprennent le sodium, le NaK, le plomb, l'eutectique plomb-bismuth et, pour les réacteurs de génération précédente, le mercure.
• Réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium.
• Réacteur à neutrons rapides avec liquide de refroidissement au plomb.
• Réacteurs refroidis au gaz refroidi par circulation de gaz inerte, conçu par de l'hélium dans des structures à haute température. Parallèlement, le dioxyde de carbone était auparavant utilisé dans les centrales nucléaires britanniques et françaises. L'azote a également été utilisé. L'utilisation de la chaleur dépend du type de réacteur. Certains réacteurs sont si chauds que le gaz peut directement entraîner une turbine à gaz. Les conceptions de réacteurs plus anciennes impliquaient généralement le passage du gaz à travers un échangeur de chaleur pour créer de la vapeur pour une turbine à vapeur.
• Réacteurs à sels fondus(MSR) sont refroidis par circulation de sel fondu (généralement des mélanges eutectiques de sels fluorés tels que FLiBe). Dans un MSR typique, le liquide de refroidissement est également utilisé comme matrice dans laquelle la matière fissile est dissoute.

Générations de réacteurs nucléaires

• Réacteur de première génération(premiers prototypes, réacteurs de recherche, réacteurs de puissance non commerciaux)
• Réacteur de deuxième génération(centrales nucléaires les plus modernes 1965-1996)
• Réacteur de troisième génération(améliorations évolutives des conceptions existantes de 1996 à aujourd'hui)
• Réacteur de quatrième génération(technologies encore en développement, date de début inconnue, éventuellement 2030)

En 2003, le Commissariat à l'énergie atomique (CEA) a introduit pour la première fois la dénomination « Gen II » lors de la Semaine de la Nucléonique.

La première mention de « Gen III » en 2000 a été faite à l'occasion du lancement du Forum international Génération IV (GIF).

La « Gen IV » a été évoquée en 2000 par le Département américain de l'Énergie (DOE) pour le développement de nouveaux types de centrales électriques.

Classification des réacteurs nucléaires par type de combustible

• Réacteur à combustible solide
• Réacteur à combustible liquide
• Réacteur refroidi par eau homogène
• Réacteur à sels fondus
• Réacteurs alimentés au gaz (théoriquement)

Classification des réacteurs nucléaires par destination

• Production d'électricité
• Centrales nucléaires, y compris les petits réacteurs en grappe
• Engins automoteurs (voir centrales nucléaires)
• Installations nucléaires offshore
• Différents types de moteurs-fusées proposés
• Autres formes d'utilisation de la chaleur
• Dessalement
• Production de chaleur pour le chauffage domestique et industriel
• Production d'hydrogène pour utilisation dans l'énergie hydrogène
• Réacteurs de production pour la conversion d'éléments
• Réacteurs surgénérateurs capables de produire plus de matière fissile qu'ils n'en consomment lors d'une réaction en chaîne (en convertissant les isotopes parents U-238 en Pu-239, ou Th-232 en U-233). Ainsi, après avoir terminé un cycle, le réacteur surgénérateur d'uranium peut être rempli d'uranium naturel ou même appauvri. À son tour, le réacteur surgénérateur de thorium peut être rempli de thorium. Toutefois, un approvisionnement initial en matière fissile est nécessaire.
• Création de divers isotopes radioactifs, tels que l'américium pour utilisation dans les détecteurs de fumée et le cobalt-60, le molybdène-99 et autres, utilisés comme indicateurs et pour le traitement.
• Production de matériaux pour armes nucléaires, comme le plutonium de qualité militaire
• Création d'une source de rayonnement neutronique (par exemple, le réacteur pulsé Lady Godiva) et de rayonnement positon (par exemple, analyse d'activation neutronique et datation potassium-argon)
• Réacteur de recherche : les réacteurs sont généralement utilisés pour recherche scientifique et la formation, le test de matériel ou la production de radio-isotopes pour la médecine et l'industrie. Ils sont beaucoup plus petits que les réacteurs de puissance ou les réacteurs de navires. Beaucoup de ces réacteurs sont situés sur des campus universitaires. Il existe environ 280 réacteurs de ce type en activité dans 56 pays. Certains fonctionnent avec du combustible à l'uranium hautement enrichi. Des efforts internationaux sont en cours pour remplacer les carburants faiblement enrichis.

Réacteurs nucléaires modernes

Réacteurs à eau sous pression (REP)

Ces réacteurs utilisent une cuve à haute pression pour contenir le combustible nucléaire, les barres de commande, le modérateur et le liquide de refroidissement. Le refroidissement des réacteurs et la modération des neutrons se font avec de l'eau liquide sous haute pression. L'eau chaude radioactive qui sort du récipient haute pression passe par un circuit générateur de vapeur, qui à son tour chauffe le circuit secondaire (non radioactif). Ces réacteurs constituent la majorité des réacteurs modernes. Il s'agit d'un dispositif de structure chauffante pour réacteur à neutrons, dont les plus récents sont le VVER-1200, le réacteur avancé à eau sous pression et le réacteur européen à eau sous pression. Les réacteurs de l'US Navy sont de ce type.

Réacteurs à eau bouillante (REB)

Les réacteurs à eau bouillante sont similaires aux réacteurs à eau sous pression sans générateur de vapeur. Les réacteurs à eau bouillante utilisent également de l'eau comme liquide de refroidissement et modérateur de neutrons comme réacteurs à eau sous pression, mais à une pression plus faible, permettant à l'eau de bouillir à l'intérieur d'une chaudière, créant de la vapeur qui fait tourner les turbines. Contrairement à un réacteur à eau sous pression, il n’y a pas de circuit primaire ou secondaire. La capacité de chauffage de ces réacteurs peut être plus élevée, leur conception peut être plus simple et encore plus stable et sûre. Il s'agit d'un réacteur à neutrons thermiques, dont les plus récents sont le réacteur avancé à eau bouillante et le réacteur nucléaire à eau bouillante simplifié et économique.

Réacteur modéré à eau lourde sous pression (PHWR)

De conception canadienne (connue sous le nom de CANDU), il s'agit de réacteurs à caloporteur sous pression, modérés à l'eau lourde. Au lieu d’utiliser un seul récipient sous pression, comme dans les réacteurs à eau sous pression, le combustible est contenu dans des centaines de passages à haute pression. Ces réacteurs fonctionnent à l'uranium naturel et sont des réacteurs à neutrons thermiques. Les réacteurs à eau lourde peuvent être ravitaillés tout en fonctionnant à pleine puissance, ce qui les rend très efficaces dans l'utilisation de l'uranium (cela permet de contrôler précisément le débit dans le cœur). Des réacteurs CANDU à eau lourde ont été construits au Canada, en Argentine, en Chine, en Inde, au Pakistan, en Roumanie et en Corée du Sud. L'Inde exploite également un certain nombre de réacteurs à eau lourde, souvent appelés « dérivés CANDU », construits après que le gouvernement canadien a mis fin à ses relations nucléaires avec l'Inde à la suite de l'essai d'armes nucléaires du Bouddha souriant en 1974.

Réacteur à canal haute puissance (RBMK)

Un développement soviétique, conçu pour produire du plutonium ainsi que de l'électricité. Les RBMK utilisent de l'eau comme liquide de refroidissement et du graphite comme modérateur de neutrons. Les RBMK ressemblent aux CANDU à certains égards, car ils peuvent être rechargés pendant le fonctionnement et utilisent des tubes de force au lieu d'un récipient à haute pression (comme dans les réacteurs à eau sous pression). Cependant, contrairement aux CANDU, ils sont très instables et encombrants, ce qui rend le capot du réacteur coûteux. Un certain nombre de défauts critiques en matière de sécurité ont également été identifiés dans les conceptions du RBMK, bien que certains de ces défauts aient été corrigés après la catastrophe de Tchernobyl. Leur caractéristique principale est l'utilisation d'eau légère et d'uranium non enrichi. En 2010, 11 réacteurs restent ouverts, en grande partie grâce à l'amélioration des niveaux de sécurité et au soutien des organisations internationales de sécurité telles que le Département américain de l'énergie. Malgré ces améliorations, les réacteurs RBMK sont toujours considérés comme l’un des modèles de réacteurs les plus dangereux à utiliser. Les réacteurs RBMK n’étaient utilisés que dans l’ex-Union soviétique.

Réacteur refroidi au gaz (GCR) et réacteur avancé refroidi au gaz (AGR)

Ils utilisent généralement un modérateur de neutrons en graphite et un liquide de refroidissement au CO2. En raison de leurs températures de fonctionnement élevées, ils peuvent produire de la chaleur plus efficacement que les réacteurs à eau sous pression. Il existe un certain nombre de réacteurs opérationnels de cette conception, principalement au Royaume-Uni, où le concept a été développé. Les développements les plus anciens (c'est-à-dire la station Magnox) sont soit fermés, soit le seront dans un avenir proche. Toutefois, les réacteurs améliorés refroidis au gaz ont une durée de vie prévue de 10 à 20 ans supplémentaires. Les réacteurs de ce type sont des réacteurs à neutrons thermiques. Les coûts monétaires du déclassement de tels réacteurs peuvent être élevés en raison du grand volume du cœur.

Réacteur surgénérateur rapide (LMFBR)

Ce réacteur est conçu pour être refroidi par métal liquide, sans modérateur, et produit plus de combustible qu'il n'en consomme. On dit qu'ils sont des « reproducteurs » de combustible car ils produisent du combustible fissible par capture de neutrons. De tels réacteurs peuvent fonctionner de la même manière que les réacteurs à eau sous pression en termes d'efficacité, mais ils nécessitent une compensation pour l'augmentation de la pression car ils utilisent du métal liquide qui ne crée pas de surpression même à très haute température. Les réacteurs BN-350 et BN-600 en URSS et Superphénix en France étaient des réacteurs de ce type, tout comme le Fermi-I aux États-Unis. Le réacteur de Monju au Japon, endommagé par une fuite de sodium en 1995, a repris ses activités en mai 2010. Tous ces réacteurs utilisent/ont utilisé du sodium liquide. Ces réacteurs sont des réacteurs à neutrons rapides et n'appartiennent pas aux réacteurs à neutrons thermiques. Ces réacteurs sont de deux types :

Plomb refroidi

L'utilisation du plomb comme métal liquide offre une excellente protection contre les rayonnements radioactifs et permet un fonctionnement à des températures très élevées. De plus, le plomb est (principalement) transparent aux neutrons, donc moins de neutrons sont perdus dans le liquide de refroidissement et celui-ci ne devient pas radioactif. Contrairement au sodium, le plomb est généralement inerte, il y a donc moins de risques d'explosion ou d'accident, mais de telles quantités de plomb peuvent poser des problèmes du point de vue de la toxicité et de l'élimination des déchets. Des mélanges eutectiques plomb-bismuth peuvent souvent être utilisés dans ce type de réacteur. Dans ce cas, le bismuth présentera peu d’interférences avec le rayonnement car il n’est pas complètement transparent aux neutrons et peut muter plus facilement en un autre isotope que le plomb. Le sous-marin russe de classe Alpha utilise un réacteur rapide refroidi au plomb-bismuth comme principal système de production d’électricité.

Refroidi au sodium

La plupart des réacteurs surgénérateurs à métaux liquides (LMFBR) sont de ce type. Le sodium est relativement facile à obtenir et à travailler, et il aide à prévenir la corrosion des différentes parties du réacteur qui y sont immergées. Cependant, le sodium réagit violemment au contact de l'eau, il faut donc être prudent, même si de telles explosions ne seront pas beaucoup plus puissantes que, par exemple, des fuites de liquide surchauffé d'un réacteur SCWR ou RWD. L'EBR-I est le premier réacteur de ce type dont le cœur est constitué d'un matériau fondu.

Réacteur à lit de boules (PBR)

Ils utilisent du carburant pressé dans des billes en céramique dans lesquelles du gaz circule à travers les billes. Le résultat est des réacteurs efficaces, sans prétention et très sûrs, avec un combustible standardisé et peu coûteux. Le prototype était le réacteur AVR.

Réacteurs à sels fondus

Dans ceux-ci, le carburant est dissous dans des sels de fluorure ou les fluorures sont utilisés comme liquide de refroidissement. Leurs divers systèmes de sécurité, leur rendement élevé et leur densité énergétique élevée sont adaptés aux véhicules. Notamment, ils ne contiennent aucune pièce à haute pression ni composant inflammable dans le noyau. Le prototype était le réacteur MSRE, qui utilisait également un cycle du combustible au thorium. En tant que réacteur surgénérateur, il retraite le combustible usé, extrayant à la fois l'uranium et les éléments transuraniens, ne laissant que 0,1 % des déchets transuraniens par rapport aux réacteurs conventionnels à eau légère à uranium à passage unique actuellement en service. Un autre problème concerne les produits de fission radioactifs, qui ne sont pas retraités et doivent être éliminés dans des réacteurs conventionnels.

Réacteur Aqueux Homogène (AHR)

Ces réacteurs utilisent du combustible sous forme de sels solubles, dissous dans l’eau et mélangés à un liquide de refroidissement et un modérateur de neutrons.

Systèmes et projets nucléaires innovants

Réacteurs avancés

Plus d’une douzaine de projets de réacteurs avancés sont à différents stades de développement. Certains ont évolué à partir des conceptions des réacteurs RWD, BWR et PHWR, d'autres diffèrent de manière plus significative. Les premiers comprennent le réacteur avancé à eau bouillante (ABWR) (dont deux sont actuellement en fonctionnement et d'autres en construction), ainsi que le projet de réacteur à eau bouillante simplifié (ESBWR) et les centrales AP1000 (voir Programme d'énergie nucléaire 2010).

Réacteur nucléaire à neutrons rapides intégré(IFR) a été construit, testé et testé au cours des années 1980, puis a été retiré après le départ de l'administration Clinton dans les années 1990 en raison des politiques de non-prolifération nucléaire. Le retraitement du combustible nucléaire usé est intégré à sa conception et ne produit donc qu’une fraction des déchets des réacteurs en fonctionnement.

Réacteur modulaire refroidi par gaz à haute température(HTGCR), est conçu de telle manière que les températures élevées réduisent la puissance de sortie en raison de l'élargissement Doppler de la section transversale du faisceau de neutrons. Le réacteur utilise un combustible de type céramique, de sorte que ses températures de fonctionnement sûres dépassent la plage de températures de réduction de puissance. La plupart des structures sont refroidies à l'hélium inerte. L'hélium ne peut pas provoquer d'explosion due à la dilatation de la vapeur, n'est pas un absorbeur de neutrons qui provoquerait de la radioactivité et ne dissout pas les contaminants qui pourraient être radioactifs. Les conceptions typiques comprennent plus de couches de protection passive (jusqu'à 7) que dans les réacteurs à eau légère (généralement 3). Caractéristique unique Ce qui peut garantir la sécurité, c'est que les boules de combustible forment réellement le noyau et soient remplacées une par une au fil du temps. Les caractéristiques de conception des piles à combustible rendent leur recyclage coûteux.

Petit, fermé, mobile, réacteur autonome (SSTAR) a été initialement testé et développé aux États-Unis. Le réacteur a été conçu comme un réacteur à neutrons rapides, doté d'un système de protection passive qui pouvait être arrêté à distance en cas de suspicion de problèmes.

Propre et respectueux de l'environnement réacteur avancé (CAESAR) est un concept de réacteur nucléaire utilisant la vapeur comme modérateur de neutrons - une conception encore en développement.

Le réacteur réduit modéré à eau est basé sur le réacteur amélioré à eau bouillante (ABWR) actuellement en service. Il ne s'agit pas d'un réacteur à neutrons rapides, mais il utilise principalement des neutrons épithermiques, qui ont des vitesses intermédiaires entre thermique et rapide.

Module de puissance nucléaire autorégulé avec modérateur de neutrons hydrogène (HPM) est un type de réacteur de conception produit par le Laboratoire national de Los Alamos qui utilise de l'hydrure d'uranium comme combustible.

Réacteurs nucléaires sous-critiques sont destinés à être plus sûrs et plus stables, mais sont complexes en termes d’ingénierie et économiques. Un exemple est l’Energy Booster.

Réacteurs à base de thorium. Il est possible de convertir le thorium 232 en U 233 dans des réacteurs spécialement conçus à cet effet. Le thorium, quatre fois plus abondant que l’uranium, peut ainsi être utilisé pour produire du combustible nucléaire à base d’U-233. On pense que l'U-233 possède des propriétés nucléaires favorables par rapport à l'U-235 utilisé de manière conventionnelle, notamment une meilleure efficacité neutronique et une réduction de la quantité de déchets transuraniens à vie longue produits.

Réacteur à eau lourde amélioré (AHWR)- un projet de réacteur à eau lourde qui représentera le développement du type PHWR de nouvelle génération. En cours de développement au Bhabha Nuclear Research Center (BARC), Inde.

KAMINI- un réacteur unique utilisant l'isotope de l'uranium 233 comme combustible. Construit en Inde au Centre de recherche BARC et au Centre Indira Gandhi pour la recherche nucléaire (IGCAR).

L'Inde envisage également de construire des réacteurs rapides utilisant le cycle du combustible thorium-uranium-233. Le FBTR (Fast Breeder Reactor) (Kalpakkam, Inde) utilise du plutonium comme combustible et du sodium liquide comme liquide de refroidissement pendant son fonctionnement.

Que sont les réacteurs de quatrième génération ?

La quatrième génération de réacteurs est un ensemble de différentes conceptions théoriques actuellement envisagées. Il est peu probable que ces projets soient achevés d’ici 2030. Les réacteurs actuellement en service sont généralement considérés comme des systèmes de deuxième ou troisième génération. Les systèmes de première génération ne sont plus utilisés depuis un certain temps. Le développement de cette quatrième génération de réacteurs a été officiellement lancé lors du Forum international Génération IV (GIF) autour de huit objectifs technologiques. Les principaux objectifs étaient d'améliorer la sûreté nucléaire, d'accroître la résistance à la prolifération, de minimiser les déchets et l'utilisation des ressources naturelles et de réduire les coûts de construction et d'exploitation de ces centrales.

• Réacteur à neutrons rapides refroidi au gaz
• Réacteur rapide avec refroidisseur en plomb
• Réacteur à sel liquide
• Réacteur rapide refroidi au sodium
• Réacteur nucléaire refroidi par eau supercritique
• Réacteur nucléaire à ultra haute température

Que sont les réacteurs de cinquième génération ?

Les réacteurs de cinquième génération sont des projets dont la mise en œuvre est possible d'un point de vue théorique, mais qui ne font pas actuellement l'objet d'une réflexion et de recherches actives. Bien que de tels réacteurs puissent être construits à court ou à court terme, ils suscitent peu d'intérêt pour des raisons de faisabilité économique, de praticité ou de sécurité.

• Réacteur en phase liquide. Circuit fermé avec un liquide dans le cœur d'un réacteur nucléaire, où la matière fissile se présente sous la forme d'uranium fondu ou d'une solution d'uranium refroidie par un gaz de travail injecté dans des trous traversants à la base du récipient de stockage.
• Réacteur en phase gazeuse dans le cœur. Une option à cycle fermé pour une fusée à propulsion nucléaire, où la matière fissile est de l'hexafluorure d'uranium gazeux situé dans un conteneur en quartz. Le gaz de travail (comme l'hydrogène) circulera autour de ce récipient et absorbera le rayonnement ultraviolet résultant de la réaction nucléaire. Une telle conception pourrait être utilisée comme moteur de fusée, comme mentionné dans le roman de science-fiction Skyfall de Harry Harrison de 1976. En théorie, l’utilisation de l’hexafluorure d’uranium comme combustible nucléaire (plutôt que comme intermédiaire, comme c’est le cas actuellement) entraînerait une baisse des coûts de production d’énergie et réduirait également considérablement la taille des réacteurs. En pratique, un réacteur fonctionnant avec un tel hautes densités la puissance produirait un flux incontrôlé de neutrons, affaiblissant les propriétés de résistance de la plupart des matériaux du réacteur. Ainsi, le flux serait similaire au flux de particules rejetées dans les installations thermonucléaires. Cela nécessiterait à son tour l'utilisation de matériaux similaires à ceux utilisés dans le cadre du Projet international pour la mise en œuvre d'une installation d'irradiation de matériaux dans des conditions de réaction thermonucléaire.
• Réacteur électromagnétique en phase gazeuse. Identique à un réacteur en phase gazeuse, mais avec des cellules photovoltaïques qui convertissent directement la lumière ultraviolette en électricité.
• Réacteur à fragmentation
• Fusion nucléaire hybride. Les neutrons émis lors de la fusion et de la désintégration de l'original ou « substance dans la zone de reproduction » sont utilisés. Par exemple, la transmutation de l’U-238, du Th-232 ou du combustible usé/déchets radioactifs d’un autre réacteur en isotopes relativement inoffensifs.

Réacteur avec une phase gazeuse dans le cœur. Une option à cycle fermé pour une fusée à propulsion nucléaire, où la matière fissile est de l'hexafluorure d'uranium gazeux situé dans un conteneur en quartz. Le gaz de travail (comme l'hydrogène) circulera autour de ce récipient et absorbera le rayonnement ultraviolet résultant de la réaction nucléaire. Une telle conception pourrait être utilisée comme moteur de fusée, comme mentionné dans le roman de science-fiction Skyfall de Harry Harrison de 1976. En théorie, l’utilisation de l’hexafluorure d’uranium comme combustible nucléaire (plutôt que comme intermédiaire, comme c’est le cas actuellement) entraînerait une baisse des coûts de production d’énergie et réduirait également considérablement la taille des réacteurs. En pratique, un réacteur fonctionnant à des densités de puissance aussi élevées produirait un flux incontrôlé de neutrons, affaiblissant les propriétés de résistance d'une grande partie des matériaux du réacteur. Ainsi, le flux serait similaire au flux de particules rejetées dans les installations thermonucléaires. Cela nécessiterait à son tour l'utilisation de matériaux similaires à ceux utilisés dans le cadre du Projet international pour la mise en œuvre d'une installation d'irradiation de matériaux dans des conditions de réaction thermonucléaire.

Réacteur électromagnétique en phase gazeuse. Identique à un réacteur en phase gazeuse, mais avec des cellules photovoltaïques qui convertissent directement la lumière ultraviolette en électricité.

Réacteur à fragmentation

Fusion nucléaire hybride. Les neutrons émis lors de la fusion et de la désintégration de l'original ou « substance dans la zone de reproduction » sont utilisés. Par exemple, la transmutation de l’U-238, du Th-232 ou du combustible usé/déchets radioactifs d’un autre réacteur en isotopes relativement inoffensifs.

Réacteurs à fusion

La fusion nucléaire contrôlée peut être utilisée dans les centrales à fusion pour produire de l’électricité sans les complications associées au travail avec les actinides. Toutefois, d’importants obstacles scientifiques et technologiques subsistent. Plusieurs réacteurs à fusion ont été construits, mais ce n'est que récemment qu'ils ont pu libérer plus d'énergie qu'ils n'en consomment. Bien que les recherches aient débuté dans les années 1950, on estime qu’un réacteur à fusion commercial ne fonctionnera pas avant 2050. Des efforts pour exploiter l’énergie de fusion sont actuellement en cours dans le cadre du projet ITER.

Cycle du combustible nucléaire

Les réacteurs thermiques dépendent généralement du degré de purification et d’enrichissement de l’uranium. Certains réacteurs nucléaires peuvent être alimentés par un mélange de plutonium et d'uranium (voir Combustible MOX). Le processus dans lequel minerai d'uranium extrait, traité, enrichi, utilisé, éventuellement retraité et éliminé, connu sous le nom de cycle du combustible nucléaire.

L’isotope U-235, facilement fissile, représente jusqu’à 1 % de l’uranium naturel. Ainsi, la conception de la plupart des réacteurs implique l’utilisation de combustible enrichi. L'enrichissement consiste à augmenter la proportion d'U-235 et s'effectue généralement par diffusion gazeuse ou dans une centrifugeuse à gaz. Le produit enrichi est ensuite transformé en poudre de dioxyde d'uranium, qui est pressée et cuite en granulés. Ces granulés sont placés dans des tubes qui sont ensuite scellés. Ces tubes sont appelés barres de combustible. Chaque réacteur nucléaire utilise un grand nombre de ces barres de combustible.

La plupart des réacteurs commerciaux BWR et PWR utilisent de l'uranium enrichi à environ 4 % en 235U. De plus, certains réacteurs industriels offrant des économies de neutrons élevées ne nécessitent pas du tout de combustible enrichi (c'est-à-dire qu'ils peuvent utiliser de l'uranium naturel). Selon l'Agence internationale de l'énergie atomique, il existe au moins 100 réacteurs de recherche utilisant du combustible hautement enrichi (qualité militaire / enrichissement de l'uranium à 90 %). Le risque de vol de ce type de combustible (possible pour la production d'armes nucléaires) a conduit à une campagne appelant au passage à des réacteurs utilisant de l'uranium faiblement enrichi (qui présente une moindre menace de prolifération).

L'U-235 fissile et l'U-238 non fissile et fissile sont utilisés dans le processus de transformation nucléaire. L'U-235 est fissuré par des neutrons thermiques (c'est-à-dire à déplacement lent). Un neutron thermique se déplace à peu près à la même vitesse que les atomes qui l'entourent. Puisque la fréquence de vibration des atomes est proportionnelle à leur température absolue, un neutron thermique a une plus grande capacité à diviser l'U-235 lorsqu'il se déplace à la même vitesse de vibration. D’un autre côté, l’U-238 est plus susceptible de capturer un neutron si celui-ci se déplace très rapidement. L’atome d’U-239 se désintègre le plus rapidement possible pour former du plutonium-239, qui est lui-même un combustible. Le Pu-239 est un combustible précieux et doit être pris en compte même lors de l’utilisation de combustible à l’uranium hautement enrichi. Les processus de désintégration du plutonium domineront les processus de fission de l’U-235 dans certains réacteurs. Surtout après que l'U-235 chargé d'origine soit épuisé. Le plutonium se fissifie dans les réacteurs rapides et thermiques, ce qui le rend idéal pour les réacteurs nucléaires et les bombes nucléaires.

La plupart des réacteurs existants sont des réacteurs thermiques, qui utilisent généralement l'eau comme modérateur de neutrons (le modérateur signifie qu'elle ralentit un neutron jusqu'à la vitesse thermique) et également comme liquide de refroidissement. Cependant, un réacteur à neutrons rapides utilise un type de liquide de refroidissement légèrement différent qui ne ralentira pas trop le flux de neutrons. Cela permet aux neutrons rapides de prédominer, qui peuvent être utilisés efficacement pour reconstituer constamment l’approvisionnement en carburant. En plaçant simplement de l’uranium bon marché et non enrichi dans le cœur, l’U-238 spontanément non fissile se transformera en Pu-239, « reproduisant » le combustible.

Dans le cycle du combustible à base de thorium, le thorium 232 absorbe un neutron à la fois dans un réacteur rapide et dans un réacteur thermique. La désintégration bêta du thorium produit du protactinium-233 puis de l'uranium-233, qui à son tour est utilisé comme combustible. Ainsi, comme l’uranium 238, le thorium 232 est une matière fertile.

Maintenance des réacteurs nucléaires

La quantité d'énergie présente dans un réservoir de combustible nucléaire est souvent exprimée en termes de « jours à pleine puissance », c'est-à-dire le nombre de périodes de 24 heures (jours) pendant lesquelles le réacteur fonctionne à pleine puissance pour produire de l'énergie thermique. Les jours de fonctionnement à pleine puissance dans le cycle d'exploitation d'un réacteur (entre les intervalles nécessaires au ravitaillement) sont liés à la quantité d'uranium 235 (U-235) en décomposition contenue dans les assemblages combustibles au début du cycle. Plus le pourcentage d’U-235 dans le cœur est élevé en début de cycle, plus le nombre de jours de fonctionnement à pleine puissance permettra au réacteur de fonctionner.

À la fin du cycle d'exploitation, le combustible de certains assemblages est « élaboré », déchargé et remplacé sous forme d'assemblages combustibles neufs (frais). De plus, cette réaction d'accumulation de produits de désintégration dans le combustible nucléaire détermine la durée de vie du combustible nucléaire dans le réacteur. Même bien avant que le processus final de fission du combustible ne se produise, des sous-produits de désintégration à longue durée de vie absorbant les neutrons se sont accumulés dans le réacteur, empêchant ainsi la réaction en chaîne de se produire. La proportion du cœur du réacteur remplacée lors du ravitaillement du réacteur est typiquement d'un quart pour un réacteur à eau bouillante et d'un tiers pour un réacteur à eau sous pression. L'élimination et le stockage de ce combustible usé sont l'une des tâches les plus difficiles dans l'organisation de l'exploitation d'une centrale nucléaire industrielle. Ces déchets nucléaires sont extrêmement radioactifs et leur toxicité présente un risque pendant des milliers d'années.

Il n’est pas nécessaire que tous les réacteurs soient mis hors service pour le ravitaillement ; par exemple, les réacteurs nucléaires à noyaux de combustible sphérique, les réacteurs RBMK, les réacteurs à sels fondus, les réacteurs Magnox, AGR et CANDU permettent de déplacer les éléments combustibles pendant le fonctionnement de la centrale. Dans un réacteur CANDU, il est possible de placer des éléments combustibles individuels dans le cœur de manière à ajuster la teneur en U-235 de l'élément combustible.

La quantité d’énergie extraite d’un combustible nucléaire est appelée combustion, qui est exprimée en termes d’énergie thermique produite par le poids unitaire d’origine du combustible. Le taux de combustion est généralement exprimé en termes de mégawatts-jours thermiques par tonne de métal lourd parent.

Sûreté de l'énergie nucléaire

La sûreté nucléaire représente des actions visant à prévenir les accidents nucléaires et radiologiques ou à localiser leurs conséquences. L’énergie nucléaire a amélioré la sécurité et les performances des réacteurs et a également introduit de nouveaux modèles de réacteurs plus sûrs (qui n’ont généralement pas été testés). Cependant, rien ne garantit que ces réacteurs seront conçus, construits et pourront fonctionner de manière fiable. Des erreurs se sont produites lorsque les concepteurs du réacteur de la centrale nucléaire de Fukushima au Japon ne s'attendaient pas à ce qu'un tsunami généré par un tremblement de terre ferme le système de secours censé stabiliser le réacteur après le tremblement de terre, malgré les nombreux avertissements du NRG (l'organisme national de recherche). groupe) et l’administration japonaise sur la sûreté nucléaire. Selon UBS AG, l'accident nucléaire de Fukushima I remet en question la capacité même des économies avancées comme le Japon à garantir la sécurité nucléaire. Des scénarios catastrophiques, notamment des attaques terroristes, sont également possibles. Une équipe interdisciplinaire du MIT (Massachusetts Institute of Technology) estime qu'étant donné la croissance attendue de l'énergie nucléaire, on peut s'attendre à au moins quatre accidents nucléaires graves entre 2005 et 2055.

Accidents nucléaires et radiologiques

De graves accidents nucléaires et radiologiques se sont produits. Les accidents de centrales nucléaires comprennent l'incident SL-1 (1961), l'accident de Three Mile Island (1979), la catastrophe de Tchernobyl (1986) et la catastrophe nucléaire de Fukushima Daiichi (2011). Les accidents sur les navires à propulsion nucléaire comprennent les accidents de réacteurs sur les K-19 (1961), K-27 (1968) et K-431 (1985).

Des centrales nucléaires ont été mises en orbite autour de la Terre au moins 34 fois. Une série d'incidents impliquant le satellite soviétique sans pilote RORSAT à propulsion nucléaire a entraîné la libération de combustible nucléaire usé dans l'atmosphère terrestre depuis l'orbite.

Réacteurs nucléaires naturels

Bien que les réacteurs à fission soient souvent considérés comme un produit de la technologie moderne, les premiers réacteurs nucléaires se produisent dans des environnements naturels. Un réacteur nucléaire naturel peut être formé dans certaines conditions qui imitent celles d'un réacteur construit. À ce jour, jusqu'à quinze réacteurs nucléaires naturels ont été découverts dans trois gisements distincts de la mine d'uranium d'Oklo au Gabon ( Afrique de l'Ouest). Les fameux réacteurs Okllo « morts » ont été découverts pour la première fois en 1972 par le physicien français Francis Perrin. Une réaction de fission nucléaire autonome s'est produite dans ces réacteurs il y a environ 1,5 milliard d'années et s'est maintenue pendant plusieurs centaines de milliers d'années, produisant en moyenne 100 kW de puissance au cours de cette période. Le concept de réacteur nucléaire naturel a été expliqué en termes théoriques en 1956 par Paul Kuroda de l'Université de l'Arkansas.

De tels réacteurs ne peuvent plus être formés sur Terre : la désintégration radioactive au cours de cette très longue période a réduit la proportion d'U-235 dans l'uranium naturel en dessous du niveau nécessaire pour entretenir une réaction en chaîne.

Les réacteurs nucléaires naturels se sont formés lorsque de riches gisements de minéraux d’uranium ont commencé à se remplir d’eau souterraine, qui a agi comme un modérateur de neutrons et a déclenché une importante réaction en chaîne. Le modérateur de neutrons, sous forme d'eau, s'est évaporé, provoquant une accélération de la réaction, puis s'est condensé, provoquant un ralentissement de la réaction nucléaire et empêchant la fusion. La réaction de fission a persisté pendant des centaines de milliers d'années.

De tels réacteurs naturels ont été largement étudiés par les scientifiques intéressés par le stockage des déchets radioactifs en milieu géologique. Ils proposent une étude de cas sur la façon dont les isotopes radioactifs migreraient à travers la couche la croûte terrestre. C'est un point clé pour les critiques du stockage géologique des déchets, qui craignent que les isotopes contenus dans les déchets puissent se retrouver dans les réserves d'eau ou migrer dans l'environnement.

Problèmes environnementaux de l'énergie nucléaire

Un réacteur nucléaire rejette de petites quantités de tritium, Sr-90, dans l'air et les eaux souterraines. L'eau contaminée par le tritium est incolore et inodore. De fortes doses de Sr-90 augmentent le risque de cancer des os et de leucémie chez les animaux, et vraisemblablement chez les humains.