Composition de l’uranium

• symbole U, numéro atomique 92

• trois isotopes naturels : U 234, U 235 et U 238

• U 238 : 99,28 % de l'uranium naturel, 92 protons et de 146 neutrons

• U 235 : 0,71 % de l'uranium naturel, 92 protons et de 143 neutrons

• U 234 : 0,0055 % de l'uranium naturel, 92 protons et de 142 neutrons

Noyau fissile et noyau fertile

• uranium 235 : noyau fissile

• uranium 238 : noyau fertile

• fissile : noyau atomique qui peut subir une fission nucléaire

• noyaux fissiles courants : uranium 235, uranium 233, plutonium 239

• noyau fertile: peut être transformé en un noyau fissile après avoir absorbé un neutron

• noyaux fertiles courants : uranium 238, thorium 232

Fission de l'uranium

• U 235 seul isotope naturel de l'uranium qui peut subir une fission nucléaire lorsqu'il est bombardé par des neutrons thermiques

• U 238 peut subir une fission nucléaire, mais avec des neutrons beaucoup plus énergétiques

• fission de l'uranium libère une grande quantité d'énergie sous forme de chaleur, de rayonnements ionisants et de nouveaux neutrons

Plusieurs étapes (1/2)

• neutron entre en collision avec un noyau U 235

• noyau se divise en deux noyaux plus petits, appelés produits de fission

Plusieurs étapes (2/2)

• libèrent une grande quantité d'énergie sous forme de chaleur et de rayonnements ionisants

• émettent plusieurs neutrons pouvant provoquer d'autres réactions de fission

• réaction en chaîne qui peut être utilisée pour produire de l'électricité dans un réacteur nucléaire

Réaction nucléaire exothermique

• base du fonctionnement des réacteurs nucléaires à fission d'uranium

• utilisés pour produire de l'électricité dans de nombreux pays

• peut également être utilisée pour produire des armes nucléaires

• importance de la sécurité et de la réglementation

Enrichissement

Augmentation de la concentration en isotope fissile, U 235

• consiste à augmenter la concentration en U 235 en séparant les isotopes

• diffusion gazeuse et centrifugation gazeuse

• difficulté : masses atomiques très proches

Production de combustible nucléaire de qualité

• plus grande puissance de réaction et séjour plus long dans le réacteur

• également nécessaire pour la fabrication d'armes nucléaires

Initiation et propagation de la réaction de fission

• initiée en bombardant avec des neutrons des atomes fissiles U 235 ou Pu 239

• source externe (accélérateur de particules) ou produits par la réaction elle-même

• quantité suffisante de combustible fissile dans le cœur du réacteur

• combustible sous forme de pastilles empilées pour former des crayons ou des aiguilles regroupés en assemblages

• réaction en chaîne auto-entretenue

Contrôle de la réaction en chaîne

• barres de contrôle en matériaux absorbant les neutrons (bore ou cadmium)

• peuvent être déplacées pour ajuster le taux de réaction en chaîne

• flux de neutrons initial : source de neutrons externe

• générateur de neutrons, ou source radioactive

Réacteur à eau pressurisée (REP)

• source de neutrons externe placée dans le cœur, près des assemblages combustibles

• puis on commence à retirer les barres de contrôle du cœur du réacteur

• cela crée une réaction en chaîne auto-entretenue

• source de neutrons externe plus nécessaire, peut être retirée du cœur

• réaction en chaîne ensuite maintenue en contrôlant le flux de neutrons à l'aide des barres de contrôle

Modération de la réaction en chaîne

• fission de l'uranium génère des neutrons rapides

• nécessaire de les ralentir pour qu'ils provoquent de nouvelles fissions

• processus appelé "modération"

• faire interagir le neutron rapide avec des noyaux légers, tels que ceux de H, D ou C

• collision avec noyau léger : perte énergie cinétique et réduction vitesse

Modérateurs

• utilisés pour ralentir les neutrons rapides

• absorbants de neutrons (bore ou cadmium) utilisés pour absorber les neutrons rapides et thermiques

• énergie cinétique neutrons thermiques comparable à énergie thermique des atomes du milieu environnant

• plus susceptibles d'être absorbés par les noyaux fissiles --> réaction en chaîne

Réacteurs nucléaires à fission d'uranium

Produisent de l'énergie en exploitant la fission de noyaux d'uranium

Principe de base

• combustible nucléaire (uranium enrichi) placé dans le cœur du réacteur

• neutrons libérés par la fission de noyaux d'uranium ralentis par un modérateur (eau ou graphite)

• chaleur produite par réaction en chaîne transférée à un caloporteur

• caloporteur chauffé utilisé pour produire de la vapeur, qui entraîne une turbine pour générer de l'électricité

• combustible usé retiré du réacteur et remplacé par du combustible neuf

Mesures de sûreté et de sécurité strictes pour prévenir les accidents et les fuites radioactives

Déchets nucléaires produits par la réaction en chaîne doivent être gérés de manière appropriée

Surgénération

noyaux fertiles --> combustible nucléaire supplémentaire

convertir une partie de U 238 en Pu 239, fissile

réacteur produit plus de matière fissile qu'il n'en consomme

isotopes fertiles (U 238 ou Th 232) --> matière fissile (Pu 239 ou U 233)

combustible devient inépuisable

• Réacteurs rapides refroidis au sodium (SFR)

• Réacteurs rapides refroidis au plomb (LFR)

• Réacteurs rapides refroidis au gaz (GFR)

• Réacteurs à sels fondus (MSR)