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Contrôle des réacteurs



Entretenir et contrôler la réaction en chaîne

Le contrôle d'un réacteur est intimement liè au problème plus général de leur sûreté. Il faut bien sûr éviter que les réactions nucléaires échappent à tout contrôle, mais en dehors des situations accidentelles il faut assurer un fonctionnement ordinaire et maîtriser la fission nucléaire en continu.

Le pilotage d’un réacteur est un art difficile mais maîtrisé. Il s’agit d’entretenir la réaction en chaîne pendant de longues durées qui peuvent atteindre une année, en évitant à la fois qu’elle ne devienne explosive ou qu'elle s’étouffe. Dans les réacteurs, on dispose en théorie par fission d’un peu plus d’un neutron pour entretenir la réaction en chaîne, c'est-à-dire d'une petite marge de maneuvre.. Il s’agit donc d’ajuster la criticité (c’est-à-dire le nombre de ces neutrons produisant effectivement une fission secondaire) pour qu’elle soit exactement égale à la valeur un. Si la criticité s’écarte de un, le réacteur doit réagir de façon à y revenir.

Les réacteurs sont conçus, pour que les petites variations de puissance se corrigent naturellement du seul fait des lois de la Physique. Avec un point de fonctionnement bien choisi, divers phénomènes assurent une autorégulation qui facilite le contrôle : effet de dilatation, « effet Doppler ». L’effet Doppler joue le rôle le plus important. Une augmentation de température accroît l’agitation thermique des noyaux présents dans le cœur. Il se trouve que, plus cette agitation est importante, plus le sont aussi les pertes de neutrons qui se produisent lors du ralentissement. Ces pertes augmentant, la réaction en chaîne s’en trouve freinée.

Criticité et fonctionnement stable
Dans un réacteur REP, l’eau pressurisée sert à la fois de modérateur et à refroidir. La criticité atteint un maximum supérieur à 1 pour une répartition (A) du combustible et de l’eau. En sens inverse, la criticité est nulle et le réacteur ne fonctionne pas en l'absence de combustible ou d’eau « modératrice ». Entre ces extrêmes, il existe deux répartitions B et C pour laquelle la criticité est égale à 1. La répartition (B) est choisie par les ingénieurs car elle offre un fonctionnement stable : En ce point quand le réacteur entre dans la zone de divergence, la température du coeur augmente, davantage de neutrons sont perdus lors du ralentissement ce qui ramène naturellement la criticité vers 1.
IN2P3

En cas de divergence de la réaction en chaine, ce qui semble à première vue un détail facilite la régulation et donne un certain temps pour réagir. Une petite fraction des neutrons secondaires sont émis avec un retard de plusieurs minutes. Si la criticité dépasse légèrement 1, l'arrivée retardée de ces neutrons donne le temps de réagir pour prévenir une divergence explosive. Les neutrons retardés jouent un grand rôle dans le pilotage et le contrôle d'une centrale. On dispose de beaucoup moins de temps pour réagir avec des neutrons rapides. Les neutrons retardés du plutonium sont trois fois moins abondants (0,21 %) que ceux de l'uranium-235 (0,65 %).

Certains éléments captent très facilement des neutrons lents. Tel est le cas du cadmium dont la probabilité de capture est très supérieure à celle d'une fission dans l'uranium-235. L'introduction de barres de contrôle en cadmium arrête la réaction en chaîne. Mais le mouvement est mécanique, donc assez lent. Ce contrôle n'intervient que pour ajuster la puissance du réacteur, ou l'arrêter complètement.

Du bore dans de l'eau
Le bore-10, un absorbeur de neutron lents, est utilisé pour contrôler la marche d'un réacteur. Un peu d'eau boriquée est ajoutée dans l'eau du circuit primaire des REP. Il y a partage des rôles : les protons de l'hydrogène de l'eau ralentissent les neutrons par une suite de collisions jusqu'à ce qu'ils soient capturés par le bore. La probabilité de capture d'un neutron par le bore-10, devient en effet très élevée pour des neutrons lents (Cette capture provoque l'éclatement du bore en une particule alpha et du lithium-7). Les neutrons capturés par le bore sont perdus pour la réaction de fission, ce qui permet de tempérer la réaction en chaîne quand la charge de combustible est neuve. (NB : Pour les rendre visibles, les parcours des protons de recul ont été grossis).
IN2P3 (Source Janis)

Sur le long terme, le bore-10, un élément absorbeur de neutron lents, est utilisé pour tempérer la marche d'un réacteur quand sa charge de combustible est neuve. Un peu de bore est introduit dans l'eau du modérateur sous forme d’eau boriquée pour brider les réactions de fission. Ce faisant, ce bore-10 disparaît. Cette disparition s’effectue en même temps que brûlent les noyaux fissiles du combustible. La bride se fait plus douce en même temps que le cheval devient moins impétueux.

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