Réacteurs nucléaires

Réacteurs nucléaires

Le fonctionnement des réacteurs nucléaires est basé sur les réactions de fission.

La réaction de fission nucléaire de l'uranium est déclenchée par la capture d'un neutron par le noyau d'uranium. Puis, le noyau se scinde en deux parties presque égales. Les caractéristiques des réactions de fission de ce type sont les suivantes:

Þ          la fission est accompagnée par un dégagement d'énergie d'environ 200 MeV pour chaque noyau désintégré

Þ          les noyaux de l'uranium-235 se scindent aussi bien sous l'action des neutrons à petite énergie (neutrons lents), que des neutrons à haute énergie (neutrons rapids). L'uranium-238 se scinde seulment sur l'action des neutrons rapids.

Þ          chaque procÈs de fission délivre un jusqu'à trois neutrons secondaires, qui, à leur tour, peuvent déclencher de nouvelles fissions

Þ          les produits de réaction ne sont pas uniquement déterminés (ils peuvent avoir le nombre de masse compris entre 72 et 158). Par exemple, certaines réactions possibles sont

Þ          en général, les produits de réaction sont radioactifs, la réaction de fission étant accompagnée par les rayonnements émis par les produits de réaction (neutrons, rayonnements bÊta ou gamma)

On peut expliquer les réactions de fission en utilisant le modÈle en goutte. Quand le noyau n'est pas excité, sous les actions des forces électriques et nucléaires, les nucléons forment une goutte de 'liquide' nucléaire de forme sphérique. Si un neutron heurte la goutte, celle-ci se déforme. Quand l'énergie d'excitation dépasse une certaine valeur de seuil, la goutte se scinde en deux parties qui s'éloignent l'une de l'autre avec une grande vitesse (l'augmentation de la vitesse devient possible, car les forces nucléaires s'affaiblissent au fur et à la mesure que la distance entre les deux éclats croit et les forces électriques deviennent prédominantes). La valeur de seuil de l'énergie d'excitation s'appelle énergie critique, ayant la valeur de 6,5 MeV pour l'uranium 235 et de 7 MeV pour l'uranium 238. La variation de l'énergie de liaison à la capture d'un neutron en repos est de 6,8 MeV pour l'uranium 235, ce qui suffit pour déclencher la fission. Ce fait explique pourquoi la fission de l'uranium 235 est possible dans la présence des neutrons lents. D'autre part, dans le cas de l'uranium 238, l'augmentation de l'énergie de liaison par la capture d'un neutron est de seulement 5,5 MeV. Cela signifie que pour déclencher la fission, l'électron doit posséder une énergie cinétique minimum de 1,5 MeV, étant donc un neutron rapide.

Le fonctionnement des réacteurs nucléaires est basé sur l'ainsi nommée réaction en chaine, déclenchée dans la matiÈre fissile. Supposons que sous l'action d'un neutron provenant de l'extérieur se produit la premiÈre fission. La réaction relache des neutrons secondaires. Si, en moyenne, ces neutrons secondaires produisent plus d'une nouvelle réaction de fission, le nombre d'atomes participants à la fission croit dans le temps selon une loi exponentielle et la réaction en chaine fait son apparition. Si les neutrons secondaires provoquent en moyenne moins d'une fission pour chaque neutron incident, la réaction s'éteint par soi-mÊme.

Puisque la probabilité qu'un neutron secondaire provoque une nouvelle fission est proportionnelle à la longueur de sa marche dans la matiÈre fissile, il résulte qu'en augmentant la quantité de l'uranium on peut atteindre à un moment donné la condition de l'apparition de la réaction en chaine, l'effet étant 'l'explosion atomique'. Dans cela consiste le principe de construction de la bombe atomique. La masse de l'uranium nécessaire pour déclencher la réaction en chaine incontrôlable s'appelle la masse critique. Si on réalise que chaque neutron secondaire engendre exactement une seule autre fission, alors la rection en chaine est contrôlée et le dégagement d'énergie est constant dans le temps. Ceci est le principe constructif des réacteurs nucléaires.

Les réacteurs peuvent utiliser comme combustible nucléaire l'uranium 235. Puisque l'uranium naturel contient cet isotope seulement en proportion de 0,7%, il est nécessaire une étape d'enrichissement en ce isotope du matériel utilisé dans un réacteur. De l'uranium enrichi, on confectionne des barres qui sont introduites dans le centre du réacteur. Les barres sont entourées par un matériel, nommé ralentisseur, qui a le rôle de ralentir les neutrons secondaires. À ce but, on peut utiliser le graphite, l'eau lourde ou le béryllium. Le centre actif est entouré par un réflecteur, qui a le rôle de renvoyer les neutrons vers les barres en uranium. Pour construire le réflecteur on peut utiliser aussi le graphite. Le réacteur est muni avec un systÈme de refroidissement, qui a le rôle d'absorber la chaleur fournie par le procÈs de fission. Le systÈme de refroidissement utilise du gaz, de l'eau ou mÊme du métal fondu. L'activité du réacteur est contrôle avec des barres en matériaux qui absorbent les neutrons (du cadmium ou du bore), étant intensifiée par la retraite des barres et ralentie ou arrÊtée par leur descente. Enfin, le réacteur est blindé avec un systÈme de protection biologique, qui empÊche la fuite de rayonnements. La chaleur extraite du réacteur par l'agent refroidissant est transformée en énergie électrique à l'aide des dispositifs conventionnels.

Les réacteurs à neutrons rapides, fonctionnant avec de l'uranium 238, offrent comme produit secondaire de désintégration le plutonium 239, qui peut Être utilisé comme matiÈre fissile dans autres types de réacteurs