Réactions de fissions

Réaction en chaîne : fission de l’uranium

Lors de la fission (division) de noyaux atomiques lourds (exemple: uranium ou plutonium), de l'énergie est libérée sous forme de chaleur et de radiation. La fission est obtenue en bombardant le noyau avec des neutrons. Pour que le bombardement de noyaux d'uranium fissiles (U235) soit efficace, les neutrons incidents doivent être ralentis.

Pour ce faire, un modérateur est requis c'est à dire une substance qui agit comme un frein sur les neutrons.

Le noyau fissile se désintègrera en plusieurs fragments (produits de fission) tout en émettant des neutrons. Ceux-ci peuvent à leur tour causer la fission d'autres noyaux et ainsi de suite. C'est une réaction en chaîne.

Une énorme quantité de radiations et d'énergie cinétique est libérée lors de la production des produits de fission, et cette énergie est convertie en chaleur: environ 24.000.000 kWh (thermique) pour 1 kg d' uranium 235 (si tous les noyaux sont désintégrés).

A titre de comparaison, la combustion d'1 kg de charbon produit 8 kWh d'énergie thermique (c'est à dire 3.000.000 fois moins).

Le combustible fissile utilisé dans l'industrie nucléaire qui ne contient que 3% de matières fissiles, a environ 100.000 fois plus de potentiel énergétique que le charbon.

Après 4 ans, l'énergie utilisable dans les crayons combustibles aura diminué. Les crayons combustibles usés sont alors remplacés par des crayons neufs. Les crayons combustibles usés sont retraités ce qui signifie que l'uranium et le plutonium résiduels qui sont réutilisables sont récupérés (combustible MOX). Les crayons combustibles peuvent aussi être conditionnés et stockés comme déchets de haute radioactivité.

Le modérateur : un frein pour les neutrons

Un neutron frappera plus aisément un noyau si sa vitesse n'est pas trop élevée.

Pour ralentir les neutrons produits par les réactions de fission, un modérateur est utilisé. Les substances utilisées pour jouer le rôle de modérateur sont l'eau ou le graphite. Dans les REP, le modérateur est l'eau du circuit primaire.

Les neutrons heurtent les molécules d'eau ce qui diminue leur vitesse. Ils ralentissent jusqu'à ce qu'ils puissent heurter un noyau fissile. L'utilisation de l'eau comme modérateur plutôt que le graphite présente deux grands avantages. D'une part, le graphite est inflammable. D'autre part, en cas d'augmentation importante de la température de l'eau, celle-ci va simplement bouillir (bulles de vapeur dans l'eau liquides). A l'intérieur de ces bulles, il n'y a (presque) pas d'eau et donc (presque) pas de modérateur. En l'absence de modérateur, les neutrons ne sont plus ralentis et ne sont plus capables d'induire des fissions: la réaction en chaîne pourrait donc s'arrêter.

Cette caractéristique correspond à un coefficient négatif du vide.

Absorption de neutrons

Lors de la fission d'un noyau, 2 ou 3 neutrons (2.43 en moyenne) sont libérés. Or, dans un réacteur, il est nécessaire d'avoir une réaction en chaîne contrôlée pour laquelle chaque fission n'entraîne qu'une seule autre nouvelle fission induite par un seul neutron. Par conséquent, les neutrons de fission excédentaires doivent être éliminés: une partie de ces neutrons est capturée par les parois et structures internes de la cuve du réacteur, le reste est absorbé par des méthodes qui permettent un contrôle et un ajustement de cette absorption.

Par ajout d'acide borique dans l'eau du circuit primaire, et par insertion de barres de contrôle dans la cuve du réacteur, les neutrons peuvent être absorbés et donc la réaction en chaîne peut être contrôlée. L'acide borique et le matériau des barres de contrôle (un alliage Argent- Indium-Cadmium ou du carbure de Bore) ont la propriété d'absorber les neutrons. En jouant sur la concentration d'acide borique dans l'eau du circuit primaire, et sur l'insertion de toutes ou d'une partie des barres de contrôle dans le réacteur, le bilan neutronique sera négatif ou positif. Quand toutes les barres de contrôle tombent (par gravité) dans le réacteur, la réaction en chaîne est stoppée en 1.3 secondes: c'est ce qui se passe lors d'un arrêt d'urgence ou lors d'un scram.