Réacteurs nucléaires à fission d'uranium
Introduction
Dans cette séance, nous présentons sans être exhaustifs les principaux types de réacteurs nucléaires,
qui diffèrent par les types de combustible, de spectre neutronique, de modérateur,
de caloporteur, de cycle (direct/indirect) et de fluide thermodynamique retenus, etc.
La difficulté de l’exercice est que le nombre de solutions technologiques qui ont été étudiées et développées est
considérable, tant les possibilités de combiner ces différents types sont variées. Il est donc impossible de les
classer selon une arborescence simple, d’autant plus que certaines catégories de réacteurs se déclinent en
plusieurs variantes selon les configurations, comme par exemple à neutrons rapides ou thermiques.
Nous commençons par présenter un panorama des principaux réacteurs de production d’électricité utilisant la vapeur
d’eau comme fluide thermodynamique, puis nous nous intéressons à ceux faisant appel aux cycles dont le fluide de
travail est un gaz.
Nous nous limitons à une présentation de quelques caractéristiques permettant de distinguer des réacteurs.
Une exploration dirigée plus détaillée vous donnera l’occasion d’approfondir le sujet.
Enceinte de confinement
Source NRC
destinée à limiter les rejets radioactifs
cycle thermodynamique en grande partie à l’extérieur
rôle essentiel dans la sûreté et la sécurité des réacteurs nucléaires
limite les conséquences des accidents
protége l'environnement et la santé publique
composante fondamentale des systèmes de sécurité
Pressurized Water Reactor (PWR)
utilisés dans la majorité des centrales nucléaires dans le monde
eau sous haute pression (environ 155 bars) comme caloporteur et modérateur
circule dans le cœur du réacteur à cette pression T 315°C
générateur de vapeur GV transfère la chaleur vers circuit dit secondaire.
Source Steffen Kuntoff; translation by Enr-vDerivative work: Cjp24
Vidéos explicatives sur les REP
Fonctionnement d'un REP
Cette vidéo d'EDF de 2 mn et 40 s complète l'étape précédente en vous faisant découvrir le fonctionnement
d'une centrale nucléaire française de type REP.
Détails du parcours du fluide thermodynamique, l'eau
Cette vidéo d'EDF de 1 mn et 26 s explique le circuit suivi par
le fluide thermodynamique, de l'eau qui se transforme en vapeur puis se condense.
Source EDF
Vodo-Vodyanoi Energetichesky Reaktor
réacteurs à eau pressurisée russes
Russie et autres pays de l'ex-Union soviétique, Europe de l'Est, Asie
modérateur : généralement du graphite
Boiling Water Reactor (BWR)
eau comme caloporteur et modérateur
dans cette technologie, l'eau bout directement dans le cœur du réacteur
pression environ 70 bars et T 285°C
vapeur alimente une turbine, sans circuit secondaire
Source Robert Steffens, SVG: Marlus Gancher, Antonsusi, GFDL , via Wikimedia Commons
Reaktor Bolshoy Moshchnosti Kanalny
Source Leovilok (talk), Fireice~commonswiki, Sakurambo, Emoscopes, CC BY-SA 3.0
en russe : "réacteur à haut rendement à canaux"
eau bouillante modérés par graphite
diffèrent essentiellement des REB par leur modérateur.
ont présenté de graves défis de sûreté et de conception
accident de Tchernobyl en 1986
possibilité d’extraire ou de rajouter du combustible sans arrêt.
SuperCritical Water Reactor (SCWR)
augmentation significativement du rendement
cycles dits supercritiques car P > pression critique 221,2 bars
circuit de refroidissement primaire peut être supprimé comme dans REB
simplifierait significativement le système.
rendement de 45 % T entrée turbine 510 à 550 °C et P 250 bars
Deux versions : neutrons thermiques et neutrons rapides.
Source : US Department of Energy Nuclear Energy Research Advisory Committee, Public domain, via Wikimedia Commons
Réacteurs avancés refroidis au gaz (AGR)
premiers réacteurs refroidis au gaz : UNGG (Uranium Naturel Gaz et Graphite) en France et Magnox au Royaume-Uni
Source : Scheme-of-Advanced-Gas-cooled-Reactor-AGR-Wikimedia-2012-Heat-exchanger-is
combustible : uranium naturel métallique, modérateur : graphite, réfrigérant : CO2
Magnox amélioré, baptisé Advanced Gas-cooled Reactor (AGR)
fission nucléaire chauffe CO2 qui produit vapeur et entraîne turbine
Pressurised Heavy Water Reactor (PHWR)
eau lourde également appelée oxyde de deutérium (D2O)
excellent modérateur: ralentit les neutrons sans les capturer
faible proportion dans l'eau (0,015%) et concentration coûteuse.
réacteurs à eau lourde pressurisée : eau lourde à la fois modérateur et caloporteur
peuvent utiliser l'uranium naturel comme combustible.
technologie connue sous le nom de CANDU (Canada Deuterium Uranium).
Source : Inductiveload, CC BY-SA 2.5, via Wikimedia Commons
chaleur produite par fission chauffee l'eau lourde convertie en vapeur pour entraîner une turbine
possible d’extraire ou de rajouter du combustible sans arrêt
Réacteurs à neutrons rapides (RNR)
utilisent des neutrons rapides sans modérateur pour provoquer la fission
souvent sodium liquide comme caloporteur : fortes contraintes technologiques
sodium métal réagit violemment avec l'eau et l'air
doivent être conçus pour empêcher toute fuite de sodium
pas de modérateur dans les RNR, les neutrons restant rapides.
Source : image ancienne provenant de wikipédia mais auteur non connu, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Sodium Fast Reactors (SFR)
Plusieurs variantes, différant selon puissance et combustible
fluide thermodynamique différent du fluide de refroidissement
destinés à valoriser déchets à haute activité (plutonium, actinides)
Source : Sfr.gifderivative work: Beao, Public domain, via Wikimedia Commons
Réacteurs utilisant un gaz comme fluide de travail
dépasser de manière significative niveaux de température cycles à eau pour envisager rendements élevés
variantes du cycle de Brayton utilisé dans turbines à gaz
quatre composants :
Lead Fast Reactors (LFR)
refroidis au plomb ou à l'eutectique plomb-bismuth
issus de réacteurs de sous-marins russes très performants mais problèmes d’entretien
température de sortie de cuve entre 550 et 800 °C --> cycle thermodynamique au gaz possible
Source : Idaho National Libraryderivative work: Beao, Public domain, via Wikimedia Commons
High Temperature Reactors (HTR)
réacteurs à neutrons thermiques conçus pour fonctionner à T élevée
circuit secondaire peut aussi être conçu pour générer de la vapeur
utilisent généralement du graphite comme modérateur de neutrons
combustibles TRISO : particules de combustible enrobées de carbone
Source : US Department of Energy Nuclear Energy Research Advisory Committee, Public domain, via Wikimedia Commons
Very High Temperature Reactors (VHTR)
réacteurs à neutrons thermiques conçus pour T encore plus élevée que HTR
plus grande polyvalence d'applications industrielles
utilisent généralement du graphite comme modérateur de neutrons
combustibles TRISO : particules de combustible enrobées de carbone
Source : US Department of Energy Nuclear Energy Research Advisory Committee, Public domain, via Wikimedia Commons
Molten Salt Reactor (MSR)
combustible sous forme liquide mélangé à des sels fondus à 600 – 900 °C
mélange sert à la fois de combustible et de fluide de refroidissement.
chaleur produite par la fission nucléaire chauffe les sels fondus
transmise à un circuit secondaire (eau ou gaz) comme fluide de travail
Source : US Department of Energy Nuclear Energy Research Advisory Committee, Public domain
Fast Molten Salt Reactors (FMSR)
pas de modérateur.
sels fondus (fluorures et chlorures) utilisés comme caloporteur
combustible peut être composé de thorium, d'uranium, de plutonium et d'actinides mineurs
Source : US Department of Energy Nuclear Energy Research Advisory Committee, Public domain
Graphite
Taille des AGR est beaucoup plus importante que celle des autres technologies
Source :DeepKling, CC BY-SA 3.0 , via Wikimedia Commons
vient des propriétés du modérateur, carbone conditionné sous forme de graphite
forme cristalline du carbone, tout comme le diamant
constitué de couches de feuillets d'atomes de carbone disposés en hexagones
chaque atome de carbone lié à trois autres, liaisons covalentes fortes
liaisons entre couches plus faibles --> structure en feuillets
pouvoir de modération limité --> en utiliser de grandes quantités
Risques liés au graphite
graphite peut être utilisé comme modérateur mais risque potentiel pour la sécurité
peut brûler en présence d'air et produire des gaz radioactifs
c’est ce qui s’est passé lors de l'accident de Tchernobyl en 1986
accident déclenché par série d'erreurs de conception et mauvaises procédures d'exploitation --> surchauffe du réacteur
réacteur atteint T excessive --> combustible a fondu et graphite a pris feu
explosion libérant quantités massives de matériaux radioactifs
Dimensions relatives des réacteurs
comparaison des tailles
Source :antoine fleitz, Vector: Doanri, via Wikimedia Commons
illustre bien impact du type de modérateur sur dimensions des réacteurs
hauteur maximale 36 m, largeur 28,7 m
Vidéo récapitulative sur les réacteurs nucléaires
Cette vidéo d'EDF de 11 mn et 35 s récapitule un grand nombre de sujets
qui ont été abordés dans cette séance Diapason et dans la précédente sur la fission nucléaire.
Bien qu'elle soit un peu longue, elle mérite d'être visionnée.
Source EDF
