| Comment fonctionne une centrale nucléaire |
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Comment fonctionne le réacteurLe réacteur est l'endroit ou la chaleur est produire. Des composés radioactifs comme l'uranium sont instables et une fission spontanée se produit, libérant de l'énergie thermique et quelques neutrons. Cette radioactivité naturelle est trop faible pour faire tourner la centrale. Dans un réacteur avec du combustible neuf, la quantité de chaleur produite naturellement est inférieure à 1% de la chaleur produite en fonctionnement normal. Quand on met à l'arrêt un réacteur en fonctionnement normal, la production de chaleur est d'environ 10% à cause de la radioactivité naturelle qui est plus importante à ce moment. Cette radioactivité décroit de façon logaritmique: elle retombe d'abord très vite, puis de plus en plus lentement.
NeutronsLes neutrons libérés lors de la fission peuvent produire de nouvelles fissions, qui à leur tour produisent des neutrons, etc. C'est la réaction en chaine. C'est une réaction qui est utilisée dans les bombes atomiques, mais qui doit être maitrisée dans le cas des centrales nucléaires.Dans notre réacteur nous avons donc la radioactivité naturelle et la radioactivitée induite par les neutrons. Pour que la réaction en chaine puisse se mettre en route il faut une masse critique, autrement il y a trop de neutrons qui se perdent. Une masse trop élevée n'est pas bonne non plus, car elle rend le réacteur plus difficile à controler. Un réacteur moderne produit une puissance de 1GW (ordre de grandeur). Les réacteurs plus anciens étaient un peu moins puissants. Une centrale nucléaire se compose de plusieurs réacteurs (à Doel il y en a 4). L'uranium a une faible radioactivité naturelle et il y a donc peu de neutrons qui sont produit naturellement. Il faudrait retirer très fort les barres controle pour lancer les réactions, mais alors la réaction en chaine deviendrait très vite incontrolable. Pour éviter cela, le réacteur a une source constante de neutrons qui permet de faire démarrer les réactions dès que les barres de controle commencent à être retirées. Il est alors plus aisé de controler la progression de la puissance du réacteur. La quantité d'uranium dans le cœur du réacteur dépasse grandement la masse critique à partir de laquelle une réaction en chaine peut commencer. Et pourtant, il ne se passe rien. Les barres chauffent par la radioactivité naturelle, mais c'est tout.
ModérateurCe qui nous manque, c'est un modérateur. Ce modérateur, comme son nom ne l'indique pas va augmenter les réactions nucléaires. En effet, les neutrons libérés par la fission sont des neutrons rapides qui se perdent sans pouvoir activer d'autres atomes d'uranium. Le modérateur ralentit la vitesse des neutrons, qui peuvent alors produire de nouvelles réactions de fission. Les neutrons lents sont appellés neutrons thermiques, car ce sont eux qui sont principalement utilisés dans les centrales nucléaires.Et c'est quoi le modérateur? Dans la plupart des réacteurs, c'est tout simplement de l'eau pure. C'est donc la présence d'eau qui met le réacteur en marche, ce qui est un très grand avantage. Quand pour une raison ou une autre le réacteur perd son eau, les réactions en chaine sont stoppées (il ne reste plus que la radioactivité naturelle). Certains réacteurs utilisent de l'eau lourde (qui est également un bon modérateur et qui a comme avantage par rapport à l'eau naturelle qu'il absorbe moins les neutrons). Les réacteurs à l'eau lourde peuvent ainsi fonctionner avec une quantité de carburant nucléaire moindre, puisque les neutrons issus des fissions se perdent moins. On peut également utiliser de l'uranium naturel (non enrichi) qui contient moins d'uranium fissible. Et finalement, il y a également des réacteurs qui utilisent le graphite comme modérateur. Cette filière est de moins en moins utilisée, car le système est intrinsèquement moins stable. L'eau ne joue que comme fluide caloporteur, pas comme modérateur. Quand il y a une perte d'eau ou une vaporisation locale, il y a moins d'absorption de neutrons, et le réacteur peut s'emballer.
Neutrons rapides, neutrons thermiques et neutrons retardésMais un réacteur ne pourrait pas fonctionner de cette manière: la réaction en chaine répond immédiatement à la quantité de neutrons thermiques: soit il y a plus de neutrons qui sont absorbés par l'uranium et la réaction s'accélère, soit il y en a trop peu et la réaction s'arrête d'un coup.Pour stabiliser le fonctionnement du réacteur, il faut des neutrons retardés. Les neutrons retardés, ce sont les neutrons produits par les produits de fission, et non par la fission elle-même. Lors de la fission de l'uranium, on obtient un mic-mac d'éléments avec trop de neutrons pour être stables. Ces éléments éjectent alors leurs électrons, mais c'est une réaction lente: il faut en moyenne compter 8 secondes pour qu'un de ces éléments lache un neutron (certains éléments en lachent plusieurs de suite). Ce sont les neutrons retardés qui permettent de controler le réacteur. On règle les barres de controle pour atteindre une puissance de 97%, et on compte sur les neutrons retardés pour atteindre la puissance nominale. Un autre truc, c'est que certains éléments issus de la fission absorbent les neutrons (sans réagir). Ces composants sont appellés poisons neutroniques et peuvent même empècher de remettre un réacteur en route directement qu'on l'a mis à l'arrêt. Ces poisons sont naturellement éliminés au bout de quelques jours. Donc quand les réactions en chaine s'accélèrent, il y a à la fois une production de poisons neutroniques et d'éléments instables. La réaction du réacteur est maintenant devenue beaucoup plus lente: une augmentation de la puissance du réacteur (par relèvement des barres de controle) ne se fait sentir que lentement et les systèmes de controle ont tout le temps de controler l'évolution de la puissance. On peut comparer cela au vélo: le vélo est instable à l'arrêt, mais l'effet gyroscopique des roues fait que le cycliste a le temps de corriger la trajectoire du vélo. Avec tous ces neutrons, un récapitulatif pourrait être interessant:
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