Un réacteur nucléaire est un dispositif conçu pour générer de l’énergie en exploitant les réactions nucléaires, principalement par la fission de noyaux atomiques. Il se compose de plusieurs éléments essentiels qui assurent la réaction en chaîne et la conversion de l’énergie nucléaire en énergie thermique, puis électrique. Voici un aperçu des principaux composants que l’on trouve dans un réacteur nucléaire :
Le combustible nucléaire
Les éléments fissiles : Le combustible nucléaire est principalement constitué de combustible uranium ou plutonium, qui contient des isotopes fissiles comme l’uranium-235 ou le plutonium-239. Ces isotopes subissent une fission nucléaire lorsqu’ils sont bombardés par des neutrons, ce qui libère une grande quantité d’énergie sous forme de chaleur.
Assemblages de combustible : Le combustible est disposé sous forme de bâtonnets de combustible insérés dans des assemblages de combustible (ensemble de barres métalliques contenant le combustible). Ces assemblages sont regroupés dans des coffres ou des noyaux de réacteurs.
Le modérateur
Le modérateur est un matériau qui ralentit les neutrons produits par la fission, ce qui augmente la probabilité que ces neutrons provoquent de nouvelles fissions.
Dans la plupart des réacteurs à eau pressurisée (REP) ou à eau bouillante (REB), l’eau joue ce rôle, mais dans certains réacteurs à graphite ou à sels fondus, le graphite ou le sel fondu est utilisé comme modérateur.
Le réfrigérant (ou caloporteur)
Le réfrigérant transporte la chaleur générée par la fission vers un générateur de vapeur ou un autre système de production d’énergie.
Dans les réacteurs à eau pressurisée (REP), l’eau sert à la fois de modérateur et de réfrigérant. Dans d’autres réacteurs, des fluides comme l’azote, le sodium liquide, ou le dioxyde de carbone sont utilisés comme réfrigérants.
Dans les réacteurs à haute température (HTGR), le réfrigérant peut être un gaz, souvent de l’hélium.
La cuve du réacteur
La cuve du réacteur est une enceinte en acier épais qui renferme les assemblages de combustible, le modérateur, et le réfrigérant. Elle est conçue pour résister à des pressions et des températures très élevées et pour contenir les produits de fission radioactifs en cas d’incident.
Le contrôle de la réaction nucléaire
Les barres de contrôle : Ces barres, souvent en bore ou en cadmium, sont insérées ou retirées du noyau du réacteur pour contrôler le taux de fission. Elles absorbent les neutrons, ce qui ralentit ou arrête la réaction en chaîne. En cas d’urgence, les barres de contrôle peuvent être insérées complètement pour stopper la réaction nucléaire.
Les capteurs et les instruments de contrôle surveillent en continu les paramètres du réacteur (température, pression, flux de neutrons, etc.) pour maintenir un fonctionnement sécurisé.
Le générateur de vapeur
Dans les réacteurs à eau pressurisée (REP), l’eau chaude, sous pression, est envoyée vers des générateurs de vapeur, où elle échange sa chaleur avec de l’eau qui est transformée en vapeur.
Cette vapeur est ensuite utilisée pour actionner des turbines qui produisent de l’électricité.
Les circuits de refroidissement
Circuit primaire : Ce circuit transporte la chaleur du réacteur vers le générateur de vapeur sans qu’il entre en contact direct avec l’environnement extérieur.
Circuit secondaire : Ce circuit transporte la chaleur de la vapeur vers une turbine à vapeur, qui génère de l’électricité. La vapeur se condense ensuite dans un condensateur.
Circuit tertiaire (dans certaines configurations) : Dans certains réacteurs, il existe un troisième circuit qui peut être utilisé pour transférer la chaleur au système de refroidissement, souvent sous forme de tours de refroidissement.
Les systèmes de sécurité
Les réacteurs nucléaires sont équipés de nombreux systèmes de sécurité pour garantir qu’en cas de défaillance, la réaction nucléaire puisse être arrêtée et que les matériaux radioactifs restent confinés. Ces systèmes comprennent :
Systèmes de refroidissement d’urgence : En cas de défaillance des systèmes de refroidissement principaux, des systèmes de secours sont activés pour empêcher la surchauffe du réacteur.
Confinement : Un bâtiment de confinement, généralement en béton armé et acier, entoure la cuve du réacteur. Ce confinement est conçu pour empêcher la fuite de substances radioactives en cas d’incident majeur.
Les produits de fission
Lors de la fission, l’uranium ou le plutonium se divise en produits de fission, qui sont des éléments chimiques plus petits. Ces produits incluent des isotopes radioactifs tels que le césium-137 et le strontium-90, qui dégagent des radiations et doivent être soigneusement stockés et gérés.
Ces produits sont souvent extraits du réacteur après un certain temps de fonctionnement et stockés dans des installations spéciales.
Un réacteur nucléaire est donc une structure complexe qui comprend de nombreux composants essentiels pour maintenir une réaction nucléaire contrôlée, générer de la chaleur, et transformer cette chaleur en électricité. La sécurité et la gestion des déchets radioactifs sont des aspects cruciaux du fonctionnement d’un réacteur. Les réacteurs modernes sont conçus pour être aussi sûrs et efficaces que possible, mais leur conception et leur exploitation nécessitent un haut niveau de technologie et de gestion rigoureuse.