Introduction

Dans ce panorama, 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.

Nous commencerons par présenter les principaux réacteurs de production d’électricité utilisant la vapeur d’eau comme fluide thermodynamique, puis nous nous intéresserons à ceux dont le fluide de travail est un gaz.

Remarque

Cette exploration dirigée fait partie des ressources numériques du Cours en ligne sur les Cycles Thermodynamiques associés à des Réacteurs Nucléaires.

N'hésitez pas à vous y référer pour davantage d'explications.

Notez en particulier que nous nous contentons ici d'une présentation succincte des cycles thermodynamiques correspondants, en indiquant uniquement leur type et leur puissance, les niveaux de pression et de température atteints, ainsi que les rendements obtenus.

Des précisions complémentaires sont fournies dans les troisième et quatrième parties du cours.

Enceinte de confinement

Dans tous les réacteurs, le cœur est placé dans une enceinte de confinement destinée à limiter les rejets radioactifs dus à la réaction de fission, et le cycle thermodynamique se situe en grande partie à l’extérieur de cette enceinte, le caloporteur assurant le transfert de la chaleur.

L'enceinte de confinement joue un rôle essentiel dans la sûreté et la sécurité des réacteurs nucléaires en limitant les conséquences des accidents et en protégeant l'environnement et la santé publique. Elle constitue une composante fondamentale des systèmes de sécurité des installations nucléaires en assurant le confinement des substances radioactives, la protection contre les agressions externes, le contrôle de la pression et de la température, l'isolation acoustique et thermique, et en facilitant les opérations de maintenance et de gestion des déchets.

Cette photo montre une enceinte de confinement en cours de construction.

Réacteurs à eau pressurisée (PWR - REP)

Principe de fonctionnement

Les réacteurs à eau pressurisée (REP) ou Pressurized Water Reactor (PWR) en anglais qui sont utilisés dans la majorité des centrales nucléaires dans le monde, utilisent de l'eau sous haute pression (environ 155 bars) comme caloporteur et modérateur. L'eau circule dans le cœur du réacteur à cette pression et à une température d'environ 315°C, transférant, grâce à un générateur de vapeur GV, la chaleur produite par la fission nucléaire des combustibles vers un circuit dit secondaire.

Comme le montre la figure, ce circuit secondaire comprend aussi une turbine, un condenseur souvent refroidi par une tour de refroidissement et une pompe. La chaleur produite est ainsi utilisée pour chauffer de l'eau sous pression, et générer de la vapeur qui est ensuite détendue dans une turbine couplée à un alternateur électrique. Un tel cycle est appelé cycle de Rankine ou de Hirn.

Caractéristiques principales

Réacteurs VVER

Principe de fonctionnement

Les réacteurs VVER (Vodo-Vodyanoi Energetichesky Reaktor), également connus sous le nom de réacteurs à eau pressurisée russes, sont des réacteurs nucléaires utilisés dans plusieurs pays, notamment en Russie et dans d'autres pays de l'ex-Union soviétique, ainsi que dans certains pays d'Europe de l'Est et de l'Asie.

Caractéristiques principales

Réacteurs à eau bouillante (BWR - REB)

Principe de fonctionnement

Comme les REP, les réacteurs à eau bouillante (REB) ou Boiling Water Reactor (BWR) en anglais utilisent de l'eau comme caloporteur et modérateur, mais, dans cette technologie, l'eau bout directement dans le cœur du réacteur à une pression d'environ 70 bars et une température voisine de 285°C, produisant de la vapeur qui alimente une turbine, sans circuit secondaire. Un condenseur et une pompe referment le cycle.

Comme le montre la figure, le générateur de vapeur disparaît dans un tel réacteur.

On retrouve sur la gauche l’enceinte de confinement avec le cœur refroidi par l’eau sous pression, et sur la droite le cycle thermodynamique avec la turbine en vert sous laquelle se situent le condenseur et la pompe, et l’alternateur en jaune.

Caractéristiques principales

Réacteurs RBMK

Principe de fonctionnement

Les réacteurs RBMK (en russe : Reaktor Bolshoy Moshchnosti Kanalny, "réacteur à haut rendement à canaux") sont des réacteurs nucléaires à eau bouillante modérés par graphite utilisés principalement en Russie.

Cette figure montre l’enceinte de confinement, avec le cœur en partie centrale, parcouru par l’eau sous pression qui se vaporise, la vapeur sortant dans la partie supérieure, sur la droite et sur la gauche.

Ils diffèrent essentiellement des REB par leur modérateur.

Il faut noter que les RBMK ont présenté de graves défauts de sûreté et de conception, mis en évidence par l'accident de Tchernobyl en 1986. Depuis cet accident, de nombreuses améliorations leur ont été apportées pour renforcer leur sûreté et leur fiabilité.

Une des caractéristiques de ces réacteurs est qu’il est possible d’extraire ou de rajouter du combustible sans avoir besoin de les arrêter.

Caractéristiques principales

Réacteurs à eau supercritique (SCWR)

Principe de fonctionnement

Pour augmenter significativement le rendement des cycles thermodynamiques à vapeur d’eau du type REP ou REB, il est possible d'utiliser des cycles dits supercritiques (SuperCritical Water Reactor) en anglais) en ce sens que la pression de l'eau dépasse la pression critique de 221,2 bars.

Alors que dans les réacteurs REP et ceux à neutrons rapides refroidis au sodium, il est nécessaire de prévoir un circuit de refroidissement primaire essentiellement du fait du changement d'état de la vapeur, celui-ci pourrait être supprimé dans ce type de cycle supercritique comme dans les réacteurs à eau bouillante REB, le fluide thermodynamique étant aussi le fluide de refroidissement du réacteur, ce qui simplifierait significativement le système.

Sur la gauche de cette figure se trouve le cœur, parcouru par l’eau sous pression qui se vaporise. La vapeur sort du cœur dans la partie supérieure sur la droite, et est dirigée vers la turbine couplée à l’alternateur, sous laquelle se situent le condenseur et la pompe.

Le cycle envisagé atteindrait un rendement de 45 %, avec une température d'entrée turbine de 510 à 550 °C et une pression de 250 bars. Deux versions du réacteur sont envisagées, l'une à neutrons thermiques, et l'autre à neutrons rapides.

Caractéristiques principales

Réacteurs avancés refroidis au gaz (AGR)

Les premiers réacteurs nucléaires refroidis au gaz ont été connus sous le nom de UNGG (Uranium Naturel Gaz et Graphite) en France et de Magnox au Royaume-Uni. Ils utilisaient de l'uranium naturel métallique comme combustible, du graphite comme modérateur et du gaz carbonique sous pression comme réfrigérant.

La filière Magnox a ensuite été améliorée en utilisant de l'uranium légèrement enrichi comme combustible et de l'acier inoxydable comme gaine. Cette nouvelle conception de réacteurs a été baptisée Advanced Gas-cooled Reactor (AGR). Ils constituent l’ossature du parc de production d’énergie nucléaire du Royaume-Uni depuis les années 1980.

Principe de fonctionnement

Dans ce type de réacteur, la chaleur produite par la fission nucléaire est utilisée pour chauffer du dioxyde de carbone qui sert ensuite à produire de la vapeur et entraîner une turbine.

Les réacteurs avancés à gaz utilisent du dioxyde de carbone comme caloporteur et du graphite comme modérateur.

Les combustibles utilisés sont l'uranium naturel pour les anciens réacteurs Magnox et l'uranium enrichi pour les réacteurs AGR.

Cette figure montre l’enceinte de confinement, avec le cœur en partie centrale, refroidi par le CO2 qui transfère la chaleur à un échangeur parcouru par l’eau sous pression qui se vaporise, la vapeur sortant dans la partie supérieure, sur la droite et sur la gauche.

Dans le circuit primaire d'un AGR, la pression du CO2 est généralement comprise entre 6 et 42 bars et la température est maintenue à environ 650°C.

Caractéristiques principales

Réacteurs à eau lourde (PHWR ou CANDU)

L'eau lourde

L'eau lourde, également appelée oxyde de deutérium (D2O), est une variation de l'eau ordinaire (H2O) dans laquelle presque tous les atomes d'hydrogène sont remplacés par du deutérium, qui est un isotope de l'hydrogène comportant deux neutrons au lieu d’un seul.

Le deutérium est un excellent modérateur car il ralentit les neutrons presque aussi bien que l'hydrogène, mais sans les capturer au passage. Cependant, il ne se trouve naturellement qu'en faible proportion dans l'eau (0,015%) et sa concentration est coûteuse.

Les réacteurs à eau lourde pressurisée, ou Pressurised Heavy Water Reactor (PHWR) en anglais, utilisent l'eau lourde à la fois comme modérateur et comme caloporteur. Grâce à l'efficacité de la modération par l'eau lourde, ces réacteurs peuvent utiliser de l'uranium naturel comme combustible.

Cette technologie est connue sous le nom de CANDU (Canada Deuterium Uranium).

Principe de fonctionnement

Dans ce type de réacteur, la chaleur produite par la fission nucléaire est utilisée pour chauffer de l'eau lourde, qui est convertie en vapeur pour entraîner une turbine.

Une des caractéristiques de ces réacteurs est qu’il est possible d’extraire ou de rajouter du combustible sans avoir besoin de les arrêter.

Dans cette figure, on retrouve sur la gauche l’enceinte de confinement avec le cœur refroidi par l’eau lourde, qui transfère la chaleur à un circuit secondaire non représenté ici, grâce à un générateur de vapeur.

Le combustible est placé dans une calandre contenant de l’eau lourde, et un dispositif particulier permet d’en effectuer la manutention.

Caractéristiques principales

Réacteurs à neutrons rapides (RNR)

Principe de fonctionnement

Les réacteurs à neutrons rapides (RNR) utilisent des neutrons rapides sans modérateur pour provoquer la fission. Il s’agit d’un terme générique qui couvre un assez large spectre de réacteurs.

Ils utilisent souvent du sodium liquide comme caloporteur à une température d'environ 520-550°C et une pression proche de l’atmosphérique. Le choix de ce caloporteur impose de fortes contraintes sur le plan technologique, notamment en terme de réactivité avec l'eau et l'air : le sodium est un métal hautement réactif qui réagit violemment avec l'eau et l'air, ce qui peut entraîner des incendies ou des explosions. Par conséquent, les systèmes de refroidissement au sodium doivent être conçus pour empêcher toute fuite de sodium et prévenir son contact avec l'eau ou l'air.

On retrouve sur la gauche de cette figure l’enceinte de confinement avec le cœur refroidi par du sodium liquide, qui transfère la chaleur à un second circuit de sodium liquide dans l’échangeur n° 10. Celui-ci sert à vaporiser l’eau sous pression dans le générateur de vapeur n° 13. On retrouve sur la droite le reste du cycle thermodynamique avec la turbine en vert kaki couplée à l’alternateur, sous laquelle se situent le condenseur et la pompe.

Il n’y a pas de modérateur dans les RNR, les neutrons restant rapides.

Caractéristiques principales

RNR refroidis au sodium (SFR)

Principe de fonctionnement

Les réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium (Sodium Fast Reactors SFR en anglais) correspondent à une catégorie de RNR qui utilise spécifiquement du sodium liquide comme fluide de refroidissement.

Plusieurs variantes de réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium sont envisagées, différant selon la puissance et selon le combustible. Dans tous les cas, une boucle de refroidissement primaire est prévue, le fluide thermodynamique différant du fluide de refroidissement. La température de sortie de cœur est d'environ 550 °C.

Ces réacteurs sont destinés à valoriser les déchets à haute activité, et en particulier le plutonium et autres actinides, mais ils peuvent aussi utiliser des matières fissiles et fertiles, avec un rendement beaucoup plus élevé que les réacteurs REP.

On retrouve sur la gauche de cette figure l’enceinte de confinement avec le cœur refroidi par du sodium liquide, qui transfère la chaleur à un second circuit de sodium liquide dans un premier échangeur. Celui-ci sert à vaporiser l’eau sous pression dans le générateur de vapeur. On retrouve sur la droite le reste du cycle thermodynamique avec la turbine couplée à l’alternateur, sous laquelle se situent le condenseur et la pompe.

Caractéristiques principales

RNR refroidis au plomb (LFR)

Réacteurs utilisant un gaz comme fluide de travail

L'un des intérêts des réacteurs utilisant un gaz comme fluide de travail est de dépasser de manière significative les niveaux de température auxquels sont limités ceux qui utilisent l'eau, ce qui permet d'envisager des rendements de conversion élevés.

Les cycles thermodynamiques sont généralement des variantes du cycle de Brayton utilisé dans les turbines à gaz, mettant en jeu quatre composants : un compresseur de gaz, un échangeur dans lequel le caloporteur cède sa chaleur au fluide thermodynamique, une turbine de détente et un échangeur de chaleur permettant de refroidir le fluide détendu avant compression.

Principe de fonctionnement

Les réacteurs à neutrons rapides refroidis au plomb ou à l'eutectique plomb-bismuth (Lead Fast Reactors LFR en anglais) sont issus de réacteurs de sous-marins russes très performants mais qui ont été abandonnés du fait de problèmes d’entretien. Leur puissance était comprise entre 120 et 400 MWe.

La température de sortie de cuve se situant entre 550 et 800 °C, un cycle thermodynamique au gaz (He ou CO2 par exemple) peut être d'envisagé, et des puissances beaucoup plus élevées sont envisagées pour le futur.

On retrouve sur la gauche de cette figure l’enceinte de confinement avec le cœur refroidi par du plomb, qui transfère la chaleur au circuit secondaire parcouru par un gaz. Ce gaz est détendu dans une turbine couplée à l’alternateur, puis traverse un échangeur de régénération avant d’être refroidi par une source externe, puis recomprimé dans un compresseur bi-étagé et redirigé vers l’échangeur avec le plomb.

Caractéristiques principales

Réacteurs à haute température (HTR)

Principe de fonctionnement

Les réacteurs à haute température refroidis au gaz (High Temperature Reactors ou HTR en anglais) sont des réacteurs à neutrons thermiques conçus pour fonctionner à des températures élevées.

Dans les HTR refroidis à l'hélium, la pression de l'hélium est généralement maintenue à une valeur relativement faible, comprise entre 5 et 10 bars. Cela est dû au fait que l'hélium a une faible densité et une faible viscosité tout en ayant une capacité thermique élevée, ce qui permet de réduire les pertes de charge dans le circuit de refroidissement.

Dans les HTR, le circuit secondaire peut aussi être conçu pour générer de la vapeur pour entraîner une turbine et produire de l'électricité.

Sur la gauche de cette figure qui représente un réacteur à très haute température qui sera étudié plus loin, on retrouve le cœur refroidi par de l’hélium, qui transfère dans l’échangeur central la chaleur au circuit secondaire correspondant ici à une usine de production d’hydrogène dont le détail n’est pas indiqué.

Caractéristiques principales

Réacteurs à très haute température (VHTR)

Principe de fonctionnement

Les réacteurs à très haute température refroidis au gaz (Very High Temperature Reactors ou VHTR en anglais) sont des réacteurs à neutrons thermiques conçus pour des températures encore plus élevées que les HTR, ainsi qu’une plus grande polyvalence d'applications industrielles.

Sur la gauche de cette figure, on retrouve le cœur refroidi par de l’hélium, qui transfère dans l’échangeur central la chaleur au circuit secondaire correspondant ici à une usine de production d’hydrogène dont le détail n’est pas indiqué.

Les VHTR peuvent utiliser des fluides de travail variés dans leur circuit secondaire pour atteindre des températures encore plus élevées et répondre aux exigences spécifiques des applications industrielles. Par exemple, certains VHTR peuvent utiliser de l'hélium comme fluide de travail dans le circuit secondaire.

Caractéristiques principales

Réacteurs à sels fondus (MSR)

Principe de fonctionnement

Dans un réacteur à sels fondus (Molten Salt Reactor ou MSR en anglais), le combustible sous forme liquide est mélangé à des sels fondus à 600 – 900 °C. Le combustible nucléaire est dissous dans ces sels, le mélange servant à la fois de combustible et de fluide de refroidissement.

La chaleur produite par la fission nucléaire est utilisée pour chauffer les sels fondus. Cette chaleur est transmise à un circuit secondaire qui peut utiliser de l'eau ou un gaz comme fluide de travail. La pression et la température dépendent du fluide utilisé et de la conception du réacteur.

Il s’agit généralement de sels de fluorure ou de chlorure qui ont la capacité de dissoudre de grandes quantités d'actinides, de produits de fission et d'autres éléments nucléaires.

La solubilité élevée de ces sels fondus permet d'ajuster facilement la composition du combustible en ajoutant ou en retirant certains isotopes ou éléments. Cette caractéristique offre une flexibilité de conception considérable, ce qui permet d'optimiser la réactivité des neutrons pour favoriser les neutrons épithermiques.

Bien que des ajustements de la composition du combustible soient possibles dans différents types de réacteurs nucléaires, la solubilité élevée des combustibles dans les réacteurs à sels fondus offre une flexibilité de conception unique qui permet d'optimiser plus efficacement la réactivité des neutrons en utilisant des neutrons épithermiques.

Favoriser les neutrons épithermiques présente en effet plusieurs avantages, notamment la possibilité de transmuter des déchets nucléaires à longue durée de vie, la réduction de la fatigue des matériaux du réacteur, une économie de matière fissile ainsi que la production d'isotopes médicaux. Ces avantages peuvent être particulièrement pertinents dans le contexte des réacteurs nucléaires avancés ainsi que pour des applications nucléaires spécifiques.

La pression des sels est généralement maintenue à une valeur proche de l’atmosphérique, soit environ 1 bar. Cela est dû au fait que les sels fondus sont des liquides à haute température, mais qu'ils ont une faible volatilité, et donc ne se vaporisent pas facilement.

On retrouve sur la gauche de cette figure le cœur refroidi par les sels fondus, qui transfèrent la chaleur à un second circuit de sels grâce à un premier échangeur. Elle est ensuite cédée au circuit secondaire parcouru par un gaz grâce à un second échangeur. Ce gaz est détendu dans une turbine couplée à l’alternateur, puis traverse un échangeur de régénération avant d’être refroidi par une source externe, puis recomprimé dans un compresseur bi-étagé et redirigé vers le second échangeur avec les sels fondus.

Caractéristiques principales

Réacteurs à sels fondus à neutrons rapides(FMSR)

Principe de fonctionnement

Dans les réacteurs à sels fondus à neutrons rapides (Fast Molten Salt Reactors ou FMSR en anglais), il n’y a pas de modérateur.

Leur circuit secondaire utilise généralement un fluide caloporteur gazeux, tel que de l'hélium ou du dioxyde de carbone supercritique, plutôt que de l'eau.

On retrouve sur la gauche de cette figure le cœur refroidi par les sels fondus, qui transfèrent la chaleur à un second circuit de sels grâce à un premier échangeur. Elle est ensuite cédée au circuit secondaire parcouru par un gaz grâce à un second échangeur. Ce gaz est détendu dans une turbine couplée à l’alternateur, puis traverse un échangeur de régénération avant d’être refroidi par une source externe, puis recomprimé dans un compresseur bi-étagé et redirigé vers le second échangeur avec les sels fondus. Le détail du cycle du gaz sera étudié dans la quatrième partie du cours.

Caractéristiques principales

Dimensions relatives des réacteurs

Signalons que la taille des AGR est beaucoup plus importante que celle des autres technologies. Cela vient des propriétés de leur modérateur, qui est du carbone conditionné sous forme de graphite.

Propriétés du graphite

Le graphite est une forme cristalline du carbone, tout comme le diamant. Il est constitué de couches de feuillets d'atomes de carbone disposés en hexagones, les feuillets étant empilés les uns sur les autres. Chaque atome de carbone est lié à trois autres atomes de carbone dans la même couche, formant des liaisons covalentes fortes. Les liaisons entre les couches sont plus faibles, ce qui donne au graphite une structure en feuillets.

C’est un élément abondant et bon marché, qui présente la particularité de modérer un peu les neutrons, mais sans du tout les absorber. Etant donné que son pouvoir de modération est limité, il faut en utiliser de grandes quantités.

Dans les réacteurs nucléaires, le graphite peut donc être utilisé comme modérateur. Cependant, comme il peut également brûler en présence d'air et produire des gaz radioactifs, il présente un risque potentiel pour la sécurité.

C’est d’ailleurs ce qui s’est passé lors de l'accident de la centrale nucléaire de Tchernobyl en 1986.

L'accident de Tchernobyl a été déclenché par une série d'erreurs de conception et de mauvaises procédures d'exploitation qui ont conduit à une surchauffe du réacteur. Lorsque le réacteur a atteint des températures excessives, le combustible nucléaire a fondu et le graphite du modérateur a pris feu, provoquant une explosion et libérant des quantités massives de matériaux radioactifs dans l'environnement

Cette figure permet de comparer les tailles d’un AGR de 660 MW, en beige, d’un RBMK d’un GW en gris, d’un REP et d’un REB de 1,1 GW en bleu clair et bleu, et enfin d’un CANDU de 900 MW en bleu foncé. Elle illustre bien l’impact du type de modérateur utilisé sur les dimensions des réacteurs

La hauteur maximale est de 36 m, et la largeur de 28,7 m.

Récapitulatif

Ce tableau récapitule les principales caractéristiques des réacteurs nucléaires qui viennent d’être présentés.

Cartes mentales

Ces quatre cartes mentales présentent sous forme graphique les différents types de réacteurs existants, classés par modérateur, par caloporteur, par combustible puis caloporteur et par fluide thermodynamique.

Crédits

Enceinte de confinement

Réacteurs à eau pressurisée

Réacteurs à eau bouillante

Réacteurs RBMK

Réacteurs à eau supercritique

Réacteurs avancés refroidis au gaz

Réacteurs à eau lourde

Réacteurs à neutrons rapides

RNR refroidis au sodium

RNR refroidis au plomb

Réacteurs à haute température

Réacteurs à très haute température

Réacteurs à sels fondus

Taille des AGR