Réacteurs nucléaires modernes. Tout le monde a entendu mais personne ne sait

13.10.2019

Histoire

Une réaction en chaîne contrôlée autonome de fission nucléaire (brièvement - une réaction en chaîne) a été réalisée pour la première fois en décembre 1942. Un groupe de physiciens Université de Chicago, dirigé par E. Fermi, a construit le premier réacteur nucléaire au monde, appelé SR-1. Il était constitué de blocs de graphite, entre lesquels se trouvaient des billes d'uranium naturel et de son dioxyde. Les neutrons rapides qui apparaissent après la fission nucléaire 235U, ont été ralenties par le graphite aux énergies thermiques, puis ont provoqué une nouvelle fission nucléaire. Les réacteurs comme SR-1, dans lesquels la majeure partie des fissions se produisent sous l'action des neutrons thermiques, sont appelés réacteurs à neutrons thermiques. Ils contiennent beaucoup de modérateur par rapport à l'uranium.

À URSS théorique et études expérimentales les caractéristiques du démarrage, de l'exploitation et du contrôle des réacteurs ont été réalisées par un groupe de physiciens et d'ingénieurs sous la direction d'un académicien IV Kurchatova. Le premier réacteur soviétique F-1 il a été mis dans un état critique le 25 décembre 1946. Le réacteur F-1 a été assemblé à partir de blocs de graphite et a la forme d'une boule d'un diamètre d'environ 7,5 m.Dans la partie centrale de la boule d'un diamètre de 6 m , des barres d'uranium sont placées à travers des trous dans des blocs de graphite. Les résultats de la recherche sur le réacteur F-1 sont devenus la base de projets de réacteurs industriels plus complexes. En 1949, un réacteur de production de plutonium est mis en service et le 27 juin 1954, la première centrale nucléaire au monde d'une puissance électrique de 5 MW est mise en service dans la ville d'Obninsk.

Appareil et principe de fonctionnement

Mécanisme de libération de puissance

La transformation d'une substance ne s'accompagne de la libération d'énergie libre que si la substance dispose d'une réserve d'énergies. Ce dernier signifie que les microparticules de la substance sont dans un état avec une énergie de repos plus grande que dans un autre état possible, dont la transition existe. La transition spontanée est toujours empêchée par une barrière énergétique, pour surmonter laquelle la microparticule doit recevoir une certaine quantité d'énergie de l'extérieur - l'énergie d'excitation. La réaction exoénergétique consiste dans le fait que dans la transformation suivant l'excitation, plus d'énergie est libérée qu'il n'en faut pour exciter le processus. Il existe deux façons de surmonter la barrière énergétique : soit en raison de l'énergie cinétique des particules en collision, soit en raison de l'énergie de liaison de la particule adhérente.

Si l'on garde à l'esprit les échelles macroscopiques de la libération d'énergie, alors l'énergie cinétique nécessaire à l'excitation des réactions doit avoir toutes ou d'abord au moins certaines des particules de la substance. Ceci ne peut être réalisé qu'en augmentant la température du milieu jusqu'à une valeur à laquelle l'énergie du mouvement thermique se rapproche de la valeur du seuil d'énergie qui limite le déroulement du processus. Dans le cas des transformations moléculaires, c'est-à-dire réactions chimiques, une telle augmentation est généralement de plusieurs centaines de degrés Kelvin, dans le cas des réactions nucléaires, elle est d'au moins 107 ° K en raison de la très haute altitude Barrières coulombiennes de noyaux en collision. L'excitation thermique des réactions nucléaires n'a été réalisée en pratique que dans la synthèse des noyaux les plus légers, dans lesquels les barrières coulombiennes sont minimales (fusion thermonucléaire). L'excitation par les particules qui se rejoignent ne nécessite pas une grande énergie cinétique et, par conséquent, ne dépend pas de la température du milieu, car elle se produit en raison de liaisons inutilisées inhérentes aux particules de forces attractives. Mais d'un autre côté, les particules elles-mêmes sont nécessaires pour exciter les réactions. Et si encore une fois nous n'avons pas à l'esprit un acte de réaction séparé, mais la production d'énergie à une échelle macroscopique, cela n'est possible que lorsqu'une réaction en chaîne se produit. Ce dernier survient lorsque les particules qui excitent la réaction réapparaissent en tant que produits de la réaction exoénergétique.

Disposition schématique d'un réacteur à neutrons thermiques hétérogènes1 - barre de commande ; 2 - protection biologique ; 3 - protection thermique ; 4 - modérateur ; 5 - combustible nucléaire; 6 - liquide de refroidissement.

Disposition schématique d'un réacteur à neutrons thermiques hétérogènes

barre de controle;

protection biologique;

protection thermique;

modérateur;

combustible nucléaire;

liquide de refroidissement.

Concevoir

Tout réacteur nucléaire se compose des parties suivantes :

Cœur avec combustible nucléaire et modérateur ;

Réflecteur de neutrons entourant le noyau ;

Liquide de refroidissement ;

Système de contrôle de la réaction en chaîne, y compris la protection d'urgence

Protection contre les radiations

Système de contrôle à distance

La principale caractéristique d'un réacteur est sa puissance de sortie. Une puissance de 1 MW correspond à une réaction en chaîne dans laquelle 3 1016 divisions se produisent en 1 sec.

Principes physiques de fonctionnement

L'état actuel d'un réacteur nucléaire peut être caractérisé par le facteur effectif de multiplication des neutrons k ou la réactivité ρ, qui sont liés par la relation suivante :

Ces valeurs sont caractérisées par les valeurs suivantes :

k > 1 - la réaction en chaîne croît avec le temps, le réacteur est dans un état supercritique, sa réactivité ρ > 0 ;

k< 1 — реакция затухает, реактор — подкритичен, ρ < 0;

k = 1, ρ = 0 - le nombre de fissions nucléaires est constant, le réacteur est dans un état critique stable.

État de criticité du réacteur nucléaire :

ω est la fraction du nombre total de neutrons produits dans le réacteur qui sont absorbés dans le cœur du réacteur, ou la probabilité qu'un neutron évite une fuite du volume final.

k 0 est le facteur de multiplication des neutrons dans la zone active de dimensions infiniment grandes.

La conversion du facteur de multiplication en unité est obtenue en équilibrant la multiplication des neutrons avec leurs pertes. Les pertes ont en fait deux causes : la capture sans fission et la fuite de neutrons hors du milieu de reproduction.

Évidemment, k< k0, поскольку в конечном объёме вследствие утечки потери нейтронов обязательно больше, чем в бесконечном. Поэтому, если в веществе данного состава k0 < 1, то цепная самоподдерживающаяся реакция невозможна как в бесконечном, так и в любом конечном объёме. Таким образом, k0 определяет принципиальную способность среды размножать нейтроны

k0 pour les réacteurs thermiques peut être déterminé par la "formule à 4 facteurs" :

μ est le facteur de multiplication des neutrons rapides ;

φ est la probabilité d'éviter la capture résonnante ;

θ est le facteur d'utilisation des neutrons thermiques ;

η est le rendement neutronique par absorption.

Les volumes des réacteurs de puissance modernes peuvent atteindre des centaines de m 3 et sont principalement déterminés non par les conditions de criticité, mais par les possibilités d'évacuation de la chaleur.

Le volume critique d'un réacteur nucléaire est le volume du cœur du réacteur dans un état critique. Masse critique - la masse de la matière fissile du réacteur, qui est dans un état critique.

Les réacteurs alimentés par des solutions aqueuses de sels d'isotopes fissiles purs avec un réflecteur de neutrons à eau ont la masse critique la plus faible. Pour 235 U cette masse est de 0,8 kg, pour 239 Pu elle est de 0,5 kg. Théoriquement, le 251 Cf a la plus petite masse critique, pour laquelle cette valeur n'est que de 10 g.

Afin de réduire les fuites de neutrons, le noyau reçoit une forme sphérique ou proche de la forme sphérique, comme un petit cylindre ou un cube, car ces chiffres ont le plus petit rapport surface/volume.

Malgré le fait que la valeur (e - 1) est généralement faible, le rôle de la multiplication des neutrons rapides est assez important, car pour les grands réacteurs nucléaires (K∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

Pour déclencher une réaction en chaîne, une quantité suffisante de neutrons est généralement produite lors de la fission spontanée des noyaux d'uranium. Il est également possible d'utiliser une source externe de neutrons pour démarrer le réacteur, par exemple, un mélange de Ra et Be, 252 Cf ou d'autres substances.

fosse à iode

Une fosse à iode est l'état d'un réacteur nucléaire après son arrêt, caractérisé par l'accumulation de l'isotope à vie courte du xénon (135 Xe). Ce processus conduit à l'apparition temporaire d'une réactivité négative importante, qui, à son tour, rend impossible d'amener le réacteur à sa capacité nominale pendant une certaine période (environ 1 à 2 jours).

Classification

Par nature d'utilisation

Selon la nature de l'utilisation des réacteurs nucléaires sont divisés en:

Réacteurs expérimentaux destinés à étudier diverses grandeurs physiques dont la valeur est nécessaire à la conception et à l'exploitation des réacteurs nucléaires ; la puissance de tels réacteurs ne dépasse pas quelques kW ;

Réacteurs de recherche dans lesquels les flux de neutrons et de rayons γ générés dans le cœur sont utilisés pour la recherche dans le domaine de la physique nucléaire, de la physique du solide, de la chimie des rayonnements, de la biologie, pour tester des matériaux destinés à fonctionner dans des flux de neutrons intenses (y compris . parties de réacteurs nucléaires réacteurs), pour la production d'isotopes. La puissance des réacteurs de recherche ne dépasse pas 100 MW ; l'énergie libérée n'est généralement pas utilisée.

Réacteurs isotopiques (armes, industriels) utilisés pour produire des isotopes utilisés dans les armes nucléaires, comme le 239Pu.

Réacteurs de puissance destinés à produire de l'énergie électrique et thermique utilisée dans le secteur de l'énergie, dans le dessalement de l'eau, pour alimenter les centrales électriques des navires, etc. ; La puissance thermique d'un réacteur de puissance moderne atteint 3 à 5 GW.

Selon le spectre neutronique

Réacteur à neutrons thermiques ("réacteur thermique")

Réacteur à neutrons rapides ("réacteur rapide")

Réacteur à neutrons intermédiaires

Par emplacement de carburant

Les réacteurs hétérogènes, où le combustible est placé dans le cœur de manière discrète sous forme de blocs, entre lesquels se trouve un modérateur ;

Réacteurs homogènes, où le combustible et le modérateur forment un mélange homogène (système homogène).

Blocs combustible nucléaire dans un réacteur hétérogène, ils sont appelés éléments combustibles (TVEL), qui sont placés dans la zone active aux nœuds d'un réseau régulier, formant des cellules.

Par type de carburant

Selon le degré d'enrichissement :

uranium naturel

Uranium faiblement enrichi

Isotope fissile pur

Par composition chimique :

métal U

UO 2 (dioxyde d'uranium)

UC (carbure d'uranium), etc.

Par type de liquide de refroidissement

H 2 O (eau, voir PWR)

Gaz, (voir réacteur graphite-gaz)

Réacteur à caloporteur organique

Réacteur avec réfrigérant à métal liquide

Réacteur à sel fondu

Par type de modérateur

C (graphite, voir réacteur graphite-gaz, réacteur graphite-eau)

H 2 O (eau, voir Réacteur à eau légère, Réacteur à eau sous pression, VVER)

D 2 O (eau lourde, voir Réacteur nucléaire à eau lourde, CANDU)

Hydrures métalliques

sans ralentisseur

Intentionnellement

Réacteurs à cuve

Réacteurs à canaux

méthode de génération de vapeur

Réacteur avec générateur de vapeur externe

Réacteur bouillant

Au début du 21e siècle, les plus courants sont les réacteurs nucléaires à neutrons thermiques hétérogènes avec modérateurs - H 2 O, C, D 2 O et réfrigérants - H 2 O, gaz, D 2 O, par exemple, eau-eau VVER, canal RBMK.

Les réacteurs rapides sont également prometteurs. Le combustible qu'ils contiennent est du 238U, ce qui permet de décupler l'utilisation du combustible nucléaire par rapport aux réacteurs thermiques, cela augmente considérablement les ressources Pouvoir nucléaire.

Matériaux du réacteur

Les matériaux à partir desquels les réacteurs sont construits fonctionnent à haute température dans le domaine des neutrons, des quanta γ et des fragments de fission. Par conséquent, tous les matériaux utilisés dans d'autres branches de la technologie ne conviennent pas à la construction de réacteurs. Lors du choix des matériaux du réacteur, leur résistance aux rayonnements, leur inertie chimique, leur section efficace d'absorption et d'autres propriétés sont prises en compte.

Les coques des crayons combustibles, les canaux, les modérateurs (réflecteurs) sont constitués de matériaux à faible section d'absorption. L'utilisation de matériaux qui absorbent faiblement les neutrons réduit la consommation improductive de neutrons, réduit la charge de combustible nucléaire et augmente le taux de reproduction de HF. Pour les barres absorbantes, au contraire, les matériaux à grande section d'absorption conviennent. Cela réduit considérablement le nombre de barres nécessaires pour contrôler le réacteur.

Les neutrons rapides, les quanta γ et les fragments de fission endommagent la structure de la matière. Ainsi, dans une matière solide, les neutrons rapides font sortir les atomes du réseau cristallin ou les déplacent de leur place. En conséquence, les propriétés plastiques et la conductivité thermique des matériaux se détériorent. Les molécules complexes sous l'influence du rayonnement se décomposent en molécules plus simples ou en atomes composites. Par exemple, l'eau se décompose en oxygène et en hydrogène. Ce phénomène est connu sous le nom de radiolyse de l'eau.

L'instabilité de rayonnement des matériaux est moins affectée à des températures élevées. La mobilité des atomes devient si grande que la probabilité du retour des atomes chassés du réseau cristallin à leur place ou de la recombinaison de l'hydrogène et de l'oxygène dans une molécule d'eau augmente considérablement. Ainsi, la radiolyse de l'eau est insignifiante dans les réacteurs de puissance non bouillants (par exemple, VVER), tandis que dans les puissants réacteurs de recherche, une quantité importante de mélange explosif est libérée. Les réacteurs ont des systèmes spéciaux pour le brûler.

Les matériaux des réacteurs entrent en contact les uns avec les autres (gaines de combustible avec caloporteur et combustible nucléaire, cassettes de combustible avec caloporteur et modérateur…). Naturellement, les matériaux en contact doivent être chimiquement inertes (compatibles). Un exemple d'incompatibilité est l'uranium et l'eau chaude entrant dans une réaction chimique.

Pour la plupart des matériaux, les propriétés de résistance se détériorent fortement avec l'augmentation de la température. Dans les réacteurs de puissance, les matériaux de structure fonctionnent à des températures élevées. Cela limite le choix des matériaux de structure, notamment pour les parties d'un réacteur de puissance qui doivent résister à des pressions élevées.

Combustion et reproduction du combustible nucléaire

Lors du fonctionnement d'un réacteur nucléaire, en raison de l'accumulation de fragments de fission dans le combustible, sa composition isotopique et chimique change et des éléments transuraniens, principalement des isotopes du Pu, se forment. L'effet des fragments de fission sur la réactivité d'un réacteur nucléaire est appelé empoisonnement (pour les fragments radioactifs) et scorification (pour les isotopes stables).

La principale cause d'empoisonnement des réacteurs est le 135 Xe, qui a la plus grande section efficace d'absorption des neutrons (2,6 106 bar). Demi-vie 135 Xe T½ = 9,2 h ; le rendement de la division est de 6-7 %. La majeure partie du 135Xe est formée à la suite de la désintégration du 135 I (T½ = 6,8 h). Lorsqu'il est empoisonné, le Kef change de 1 à 3 %. La grande section efficace d'absorption du 135 Xe et la présence de l'isotope intermédiaire 135 I conduisent à deux phénomènes importants :

A une augmentation de la concentration en 135 Xe et, par conséquent, à une diminution de la réactivité du réacteur après son arrêt ou sa réduction de puissance (« fosse à iode »), ce qui rend impossible les arrêts de courte durée et les fluctuations de la puissance de sortie. Cet effet est surmonté en introduisant une marge de réactivité dans les instances de régulation. La profondeur et la durée du puits d'iode dépendent du flux neutronique Ф : à Ф = 5 1018 neutron/(cm 2 sec), la durée du puits d'iode est de ˜ 30 h, et la profondeur est 2 fois supérieure au changement stationnaire Kef causé par un empoisonnement au 135 Xe.

Du fait de l'empoisonnement, des fluctuations spatio-temporelles du flux neutronique Ф, et, par conséquent, de la puissance du réacteur, peuvent se produire. Ces oscillations surviennent à Ф > 1018 neutrons/(cm 2 sec) et à des réacteurs de grande taille. Périodes d'oscillation ˜ 10 h.

Lors de la fission nucléaire, grand nombre fragments stables qui diffèrent par leurs sections efficaces d'absorption par rapport à la section efficace d'absorption d'un isotope fissile. Concentration de fragments avec grande valeur la section efficace d'absorption atteint la saturation pendant les premiers jours de fonctionnement du réacteur. Il s'agit principalement de 149Sm changeant le Kef de 1%. La concentration de fragments à faible section efficace d'absorption et la réactivité négative introduite par ceux-ci augmentent linéairement avec le temps.

La formation des éléments transuraniens dans un réacteur nucléaire se déroule selon les schémas suivants :

235 U + n → 236 U + n → 237 U → (7 jours) → 237 Np + n → 238 Np → (2,1 jours) → 238 Pu

238 U + n → 239 U → (23 min) → 239 Np → (2,3 jours) → 239 Pu (+ fragments) + n → 240 Pu + n → 241 Pu (+ fragments) + n → 242 Pu + n → 243 Pu →(5 h)→ 243 Am + n → 244 Am →(26 min)→ 244 Cm

Le temps entre les flèches indique la demi-vie, "+n" indique l'absorption du neutron.

Au début du fonctionnement du réacteur, une accumulation linéaire de 239 Pu se produit, et plus vite (à une combustion fixe de 235 U), plus l'enrichissement en uranium est faible. De plus, la concentration de 239 Pu tend à valeur constante, qui ne dépend pas du degré d'enrichissement, mais est déterminé par le rapport des sections efficaces de capture des neutrons pour 238U et 239Pu. Le temps caractéristique d'établissement de la concentration d'équilibre en 239 Pu est de ˜ 3/F années (F en unités vaut 1013 neutrons/cm 2 s). Les isotopes 240 Pu, 241 Pu n'atteignent une concentration d'équilibre que lorsque le combustible est rebrûlé dans un réacteur nucléaire après la régénération du combustible nucléaire.

La combustion du combustible nucléaire est caractérisée par l'énergie totale libérée dans le réacteur pour 1 combustible. Cette valeur est :

˜ 10 GW jour/t — réacteurs à eau lourde ;

˜ 20–30 GW jour/t pour les réacteurs à uranium faiblement enrichi (2–3 % 235U) ;

jusqu'à 100 GW j/t - réacteurs à neutrons rapides.

Un taux de combustion de 1 GW jour/t correspond à la combustion de 0,1 % de combustible nucléaire.

Au fur et à mesure que le combustible brûle, la réactivité du réacteur diminue. Le remplacement du combustible brûlé s'effectue immédiatement à partir de l'ensemble du cœur ou progressivement, en laissant en fonctionnement des éléments combustibles de différents "âges". Ce mode est appelé ravitaillement continu.

Dans le cas d'un remplacement complet du combustible, le réacteur présente un excès de réactivité qu'il faut compenser, alors que dans le second cas, la compensation n'est requise qu'au premier démarrage du réacteur. Un rechargement continu permet d'augmenter la profondeur de combustion, puisque la réactivité du réacteur est déterminée par les concentrations moyennes en isotopes fissiles.

La masse du combustible chargé dépasse la masse du combustible déchargé en raison du "poids" de l'énergie libérée. Après l'arrêt du réacteur, d'abord principalement en raison de la fission par des neutrons retardés, puis, après 1 à 2 min, en raison du rayonnement β et γ des fragments de fission et des éléments transuraniens, la libération d'énergie se poursuit dans le combustible. Si le réacteur a fonctionné suffisamment longtemps avant l'arrêt, puis 2 minutes après l'arrêt, la libération d'énergie est d'environ 3%, après 1 heure - 1%, après une journée - 0,4%, après un an - 0,05%.

Le rapport entre le nombre d'isotopes de Pu fissiles formés dans un réacteur nucléaire et la quantité de 235 U brûlée est appelé facteur de conversion KK. La valeur de KK augmente avec la diminution de l'enrichissement et de la combustion. Pour un réacteur à eau lourde fonctionnant à l'uranium naturel, avec un taux de combustion de 10 GW j/t, KK = 0,55, et pour les faibles taux de combustion (dans ce cas, KK est appelé facteur initial au plutonium) KK = 0,8. Si un réacteur nucléaire brûle et produit les mêmes isotopes (réacteur surgénérateur), le rapport entre le taux de reproduction et le taux de combustion est appelé rapport de reproduction CV. Dans les réacteurs nucléaires sur les neutrons thermiques KV< 1, а для реакторов на быстрых нейтронах КВ может достигать 1,4—1,5. Рост КВ для реакторов на быстрых нейтронах объясняется главным образом тем, что, особенно в случае 239 Pu, для быстрых нейтронов g растёт, а а падает.

Contrôle des réacteurs nucléaires

Un réacteur nucléaire ne peut fonctionner longtemps à une puissance donnée que s'il dispose d'une marge de réactivité en début de fonctionnement. Les processus qui se déroulent dans le réacteur provoquent une détérioration des propriétés de reproduction du milieu et, sans le mécanisme de récupération de la réactivité, le réacteur ne pourrait pas fonctionner même pendant une courte période. La marge de réactivité initiale est créée en construisant un cœur dont les dimensions sont bien supérieures aux dimensions critiques. Pour éviter que le réacteur ne devienne supercritique, des absorbeurs de neutrons sont introduits dans le cœur. Les absorbeurs font partie du matériau des barres de commande qui se déplacent le long des canaux correspondants du cœur. De plus, si seulement quelques crayons suffisent à la régulation, alors le nombre de crayons peut atteindre des centaines pour compenser l'excès de réactivité initial. Des crayons de compensation sont progressivement retirés du cœur du réacteur, assurant un état critique pendant toute la durée de son fonctionnement. La compensation du burnup peut également être obtenue en utilisant des absorbeurs spéciaux dont l'efficacité diminue lorsqu'ils captent des neutrons (Cd, B, terres rares) ou des solutions de substances absorbantes dans le modérateur.

Le contrôle d'un réacteur nucléaire est simplifié par le fait que lors de la fission, certains des neutrons s'envolent des fragments avec un retard pouvant aller de 0,2 à 55 secondes. De ce fait, le flux de neutrons et, par conséquent, la puissance changent assez doucement, ce qui laisse le temps de prendre une décision et de changer l'état du réacteur de l'extérieur.

Un système de contrôle et de protection (CPS) est utilisé pour contrôler un réacteur nucléaire. Les organes du CPS sont répartis en :

Urgence, réduction de la réactivité (introduction d'une réactivité négative dans le réacteur) lors de l'apparition de signaux d'urgence ;

Régulateurs automatiques qui maintiennent un flux de neutrons constant Ф (c'est-à-dire la puissance de sortie);

Compenser, servir à compenser les intoxications, les burn-out, les effets de la température.

Dans la plupart des cas, pour piloter le réacteur, on utilise des crayons introduits dans le coeur, constitués de matériaux fortement absorbants des neutrons (Cd, B...). Le mouvement des barres est contrôlé par des mécanismes spéciaux fonctionnant sur les signaux d'appareils sensibles à l'amplitude du flux de neutrons.

Le fonctionnement des organes CPS est sensiblement simplifié pour les réacteurs à coefficient de température de réactivité négatif (r diminue avec l'augmentation de la température).

Sur la base d'informations sur l'état du réacteur, un système informatique spécial génère des recommandations permettant à l'opérateur de modifier l'état du réacteur ou, dans certaines limites, le réacteur est contrôlé sans la participation de l'opérateur.

En cas de développement catastrophique imprévu d'une réaction en chaîne, chaque réacteur prévoit une interruption d'urgence de la réaction en chaîne, réalisée en lançant des barres d'urgence spéciales ou des barres de sécurité dans le cœur - un système de protection d'urgence.

Les réacteurs nucléaires n'ont qu'une seule tâche : diviser les atomes dans une réaction contrôlée et utiliser l'énergie libérée pour générer de l'énergie électrique. Pendant de nombreuses années, les réacteurs ont été considérés à la fois comme un miracle et une menace.

Lorsque le premier réacteur commercial américain a été mis en service à Shippingport, en Pennsylvanie, en 1956, la technologie a été saluée comme la centrale électrique du futur, certains pensant que les réacteurs rendraient la production d'électricité trop bon marché. Aujourd'hui, 442 réacteurs nucléaires ont été construits dans le monde, environ un quart de ces réacteurs se trouvent aux États-Unis. Le monde est devenu dépendant des réacteurs nucléaires, qui génèrent 14 % de l'électricité. Les futuristes ont même fantasmé sur les voitures atomiques.

Lorsque le réacteur de l'unité 2 de la centrale électrique de Three Mile Island en Pennsylvanie a subi une panne de refroidissement en 1979 et, par conséquent, une fusion partielle de son combustible radioactif, les sentiments chaleureux à l'égard des réacteurs ont radicalement changé. Même si un verrouillage du réacteur détruit a été effectué et qu'aucun rejet radioactif majeur ne s'est produit, de nombreuses personnes ont commencé à considérer les réacteurs comme trop complexes et vulnérables, avec des conséquences potentiellement catastrophiques. Les gens se sont également inquiétés des déchets radioactifs des réacteurs. En conséquence, la construction de nouvelles centrales nucléaires aux États-Unis s'est arrêtée. Lorsqu'un accident plus grave s'est produit à la centrale nucléaire de Tchernobyl en Union soviétique en 1986, l'énergie nucléaire semblait condamnée.

Mais au début des années 2000, les réacteurs nucléaires ont commencé à faire leur retour, grâce à une demande croissante d'énergie et à une offre en baisse de combustibles fossiles, ainsi qu'à des inquiétudes croissantes concernant le changement climatique dû aux émissions de dioxyde de carbone.

Mais en mars 2011, une autre crise a frappé - cette fois, Fukushima 1, une centrale nucléaire au Japon, a été gravement endommagée par un tremblement de terre.

Utilisation de la réaction nucléaire

En termes simples, dans un réacteur nucléaire, les atomes se divisent et libèrent l'énergie qui maintient leurs parties ensemble.

Si vous avez oublié la physique lycée nous vous rappellerons comment fission nucléaireœuvres. Les atomes sont minuscules systèmes solaires, avec un noyau comme le Soleil, et des électrons comme des planètes en orbite autour de lui. Le noyau est composé de particules appelées protons et neutrons qui sont liées entre elles. La force qui lie les éléments du noyau est même difficile à imaginer. Elle est plusieurs milliards de fois plus puissante que la force de gravité. Malgré cette force énorme, il est possible de diviser le noyau en lui envoyant des neutrons. Lorsque cela est fait, beaucoup d'énergie sera libérée. Lorsque les atomes se brisent, leurs particules s'écrasent sur les atomes proches, les divisant, et ceux-ci, à leur tour, ensuite, ensuite, ensuite. Il existe un soi-disant réaction en chaîne.

L'uranium, un élément à gros atomes, est idéal pour le processus de fission, car la force qui lie les particules de son noyau est relativement faible par rapport aux autres éléments. Les réacteurs nucléaires utilisent un isotope spécifique appelé Àcouru-235 . L'uranium-235 est rare dans la nature, le minerai des mines d'uranium ne contenant qu'environ 0,7 % d'U-235. C'est pourquoi les réacteurs utilisent enrichiÀCours, qui est créé en isolant et en concentrant l'uranium 235 par un processus de diffusion gazeuse.

Un processus de réaction en chaîne peut être créé dans une bombe atomique, semblables à ceux qui ont été largués sur les villes japonaises d'Hiroshima et de Nagasaki pendant la Seconde Guerre mondiale. Mais dans un réacteur nucléaire, la réaction en chaîne est contrôlée par l'insertion de barres de contrôle constituées de matériaux tels que le cadmium, l'hafnium ou le bore, qui absorbent une partie des neutrons. Cela permet toujours au processus de fission de libérer suffisamment d'énergie pour chauffer l'eau à environ 270 degrés Celsius et la transformer en vapeur, qui est utilisée pour faire tourner les turbines de la centrale et produire de l'électricité. En principe, dans ce cas, une bombe nucléaire contrôlée fonctionne à la place du charbon, créant de l'électricité, sauf que l'énergie pour faire bouillir l'eau provient de la division des atomes, au lieu de brûler du carbone.

Composants de réacteur nucléaire

Il y a un peu divers types réacteurs nucléaires, mais ils partagent tous des caractéristiques communes. Ils ont tous un stock de pastilles de combustible radioactif - généralement de l'oxyde d'uranium - qui sont disposées dans des tubes pour former des barres de combustible dans cœureréacteur.

Le réacteur a également le mentionné précédemment gestionnairesecanne à pêcheet— d'un matériau absorbant les neutrons tel que le cadmium, l'hafnium ou le bore, qui est inséré pour contrôler ou arrêter la réaction.

Le réacteur a également modérateur, une substance qui ralentit les neutrons et aide à contrôler le processus de fission. La plupart des réacteurs aux États-Unis utilisent de l'eau ordinaire, mais les réacteurs d'autres pays utilisent parfois du graphite, ou lourdwoweauxà, dans lequel l'hydrogène est remplacé par le deutérium, un isotope de l'hydrogène avec un proton et un neutron. Une autre partie importante du système est refroidissementet moiliquideb, généralement de l'eau ordinaire, qui absorbe et transfère la chaleur du réacteur pour créer de la vapeur pour faire tourner la turbine et refroidit la zone du réacteur afin qu'elle n'atteigne pas la température à laquelle l'uranium fondra (environ 3815 degrés Celsius).

Enfin, le réacteur est enfermé dans coquilleà, une grande structure lourde, généralement de plusieurs mètres d'épaisseur, faite d'acier et de béton, qui retient les gaz et les liquides radioactifs à l'intérieur où ils ne peuvent nuire à personne.

Il y a toute la ligne divers modèles réacteurs en service, mais l'un des plus courants est réacteur à eau sous pression (VVER). Dans un tel réacteur, l'eau est forcée au contact du coeur et y reste ensuite sous une pression telle qu'elle ne peut pas se transformer en vapeur. Cette eau alors présente dans le générateur de vapeur entre en contact avec de l'eau fournie sans pression, qui se transforme en vapeur qui fait tourner les turbines. Il y a aussi une conception réacteur de type canal haute puissance (RBMK) avec un circuit d'eau et réacteur à neutrons rapides avec deux circuits sodium et un circuit eau.

Quelle est la sécurité d'un réacteur nucléaire?

La réponse à cette question est assez difficile et cela dépend de qui vous demandez et de ce que vous entendez par "sûr". Êtes-vous inquiet des radiations ou des déchets radioactifs générés dans les réacteurs ? Ou êtes-vous plus préoccupé par la possibilité d'un accident catastrophique ? Quel degré de risque considérez-vous comme un compromis acceptable pour les avantages de l'énergie nucléaire ? Et dans quelle mesure faites-vous confiance au gouvernement et Pouvoir nucléaire?

Le « rayonnement » est un argument valable, principalement parce que nous savons tous que de fortes doses de rayonnement, comme celles d'une explosion bombe nucléaire peut tuer plusieurs milliers de personnes.

Les partisans de l'énergie nucléaire, cependant, soulignent que nous sommes tous régulièrement exposés aux rayonnements de différentes sources, y compris les rayons cosmiques et le rayonnement naturel émis par la Terre. La dose annuelle moyenne de rayonnement est d'environ 6,2 millisieverts (mSv), dont la moitié provient de sources naturelles, et la moitié de sources artificielles telles que les radiographies pulmonaires, les détecteurs de fumée et les cadrans lumineux. Quelle quantité de rayonnement recevons-nous des réacteurs nucléaires ? Seulement une infime fraction d'un pour cent de notre exposition annuelle typique, 0,0001 mSv.

Alors que toutes les centrales nucléaires émettent inévitablement de petites quantités de rayonnement, les commissions de réglementation maintiennent les exploitants de centrales nucléaires sous une réglementation stricte. Ils ne peuvent pas exposer les personnes vivant autour de l'usine à plus de 1 mSv de rayonnement par an, et les travailleurs de l'usine ont un seuil de 50 mSv par an. Cela peut sembler beaucoup, mais selon la Commission de réglementation nucléaire, il n'y a aucune preuve médicale que des doses annuelles de rayonnement inférieures à 100 mSv présentent des risques pour la santé humaine.

Mais il est important de noter que tout le monde n'est pas d'accord avec une évaluation aussi complaisante des risques radiologiques. Par exemple, l'organisation Doctors for responsabilité sociale, un critique de longue date de l'industrie nucléaire, a étudié les enfants vivant autour des centrales nucléaires allemandes. L'étude a montré que les personnes vivant à moins de 5 km des centrales avaient un risque double de contracter la leucémie par rapport à celles vivant plus loin de la centrale nucléaire.

réacteur de déchets nucléaires

L'énergie nucléaire est présentée par ses partisans comme une énergie "propre" parce que le réacteur n'émet pas de grandes quantités de gaz à effet de serre dans l'atmosphère, par rapport à centrales électriques au charbon. Mais les critiques pointent un autre problème environnemental— Stockage des déchets nucléaires. Une partie des déchets de combustible usé des réacteurs émet encore de la radioactivité. D'autres choses inutiles qui devraient être enregistrées sont déchet radioactif haut niveau , le résidu liquide du traitement du combustible usé, dans lequel une partie de l'uranium reste. À l'heure actuelle, la plupart de ces déchets sont stockés localement dans les centrales nucléaires dans des bassins d'eau qui absorbent une partie de la chaleur restante produite par le combustible usé et aident à protéger les travailleurs contre l'exposition aux radiations.

L'un des problèmes du combustible nucléaire usé est qu'il a été altéré au cours du processus de fission. Lorsque de gros atomes d'uranium sont fissurés, ils créent des sous-produits - des isotopes radioactifs de plusieurs éléments légers tels que le césium-137 et le strontium-90, appelés produits de fission. Ils sont chauds et hautement radioactifs, mais finalement, sur une période de 30 ans, ils se désintègrent en des formes moins dangereuses. Cette période est appelée Ppériodeohmdemi vie. Pour les autres éléments radioactifs, la demi-vie sera différente. De plus, certains atomes d'uranium capturent également des neutrons, formant des éléments plus lourds comme le plutonium. Ces éléments transuraniens ne génèrent pas autant de chaleur ou de rayonnement pénétrant que les produits de fission, mais ils mettent beaucoup plus de temps à se désintégrer. Le plutonium-239, par exemple, a une demi-vie de 24 000 ans.

Ces radioactifeDéparts haut niveau des réacteurs sont dangereux pour les humains et les autres formes de vie car ils peuvent libérer d'énormes doses mortelles de rayonnement, même après une courte exposition. Dix ans après avoir retiré le combustible d'un réacteur, par exemple, ils émettent 200 fois plus de radioactivité par heure qu'il n'en faut pour tuer une personne. Et si les déchets finissent dans eaux souterraines ou des rivières, ils peuvent entrer dans la chaîne alimentaire et mettre en danger un grand nombre de de personnes.

Parce que les déchets sont si dangereux, de nombreuses personnes sont dans une position difficile. 60 000 tonnes de déchets sont localisés dans des centrales nucléaires proches des grandes villes. Mais trouver un endroit sûr pour stocker les déchets est très difficile.

Qu'est-ce qui peut mal tourner avec un réacteur nucléaire ?

Les régulateurs gouvernementaux se remémorant leur expérience, les ingénieurs ont passé beaucoup de temps au fil des ans à concevoir des réacteurs pour une sécurité optimale. C'est juste qu'ils ne cassent pas, fonctionnent correctement et ont des sauvegardes si les choses ne se passent pas comme prévu. En conséquence, année après année, les centrales nucléaires semblent être assez sûres par rapport, par exemple, aux voyages en avion, qui tuent régulièrement entre 500 et 1 100 personnes par an dans le monde.

Néanmoins, les réacteurs nucléaires dépassent les pannes majeures. Par échelle internationale des événements nucléaires, dans lesquels les accidents de réacteurs sont notés de 1 à 7, il y a eu cinq accidents depuis 1957 qui ont été notés de 5 à 7.

Le pire cauchemar est la panne du système de refroidissement, qui entraîne une surchauffe du carburant. Le carburant se transforme en liquide, puis brûle à travers le confinement, crachant un rayonnement radioactif. En 1979, l'unité 2 de la centrale nucléaire de Three Mile Island (États-Unis) était au bord de ce scénario. Heureusement, un système de confinement bien conçu était suffisamment solide pour empêcher les radiations de s'échapper.

L'URSS a eu moins de chance. Un accident nucléaire grave s'est produit en avril 1986 dans la 4e tranche de la centrale nucléaire de Tchernobyl. Cela a été causé par une combinaison de pannes du système, de défauts de conception et d'un personnel mal formé. Lors d'un essai de routine, la réaction a brusquement augmenté et les barres de commande se sont bloquées, empêchant l'arrêt d'urgence. L'accumulation soudaine de vapeur a provoqué deux explosions thermiques, projetant le modérateur en graphite du réacteur dans l'air. En l'absence de quoi que ce soit pour refroidir les barres de combustible du réacteur, elles ont commencé à surchauffer et à se détruire complètement, à la suite de quoi le combustible a pris une forme liquide. De nombreux ouvriers de la gare et liquidateurs de l'accident sont morts. Une grande quantité de rayonnement s'est répandue sur une superficie de 323 749 kilomètres carrés. Le nombre de décès causés par les rayonnements n'est toujours pas clair, mais l'Organisation mondiale de la santé affirme qu'ils pourraient avoir causé 9 000 décès par cancer.

Les constructeurs de réacteurs nucléaires accordent des garanties basées sur estimation probabilistee dans lequel ils essaient d'équilibrer le préjudice potentiel d'un événement avec la probabilité qu'il se produise réellement. Mais certains critiques disent qu'ils devraient plutôt se préparer aux événements rares, les plus inattendus, mais très dangereux. Un exemple illustratif est l'accident de mars 2011 à la centrale nucléaire de Fukushima 1 au Japon. La station aurait été conçue pour résister fort tremblement de terre, mais pas aussi catastrophique que le tremblement de terre de magnitude 9,0 qui a soulevé une vague de tsunami de 14 mètres sur des digues conçues pour résister à une vague de 5,4 mètres. L'assaut du tsunami a détruit les générateurs diesel de secours qui devaient alimenter le système de refroidissement des six réacteurs de la centrale nucléaire en cas de panne de courant.Ainsi, même après que les barres de contrôle des réacteurs de Fukushima aient arrêté la réaction de fission, la le combustible encore chaud permettait la température à l'intérieur des réacteurs détruits.

Les responsables japonais ont eu recours au dernier recours - inonder les réacteurs d'une énorme quantité d'eau de mer avec l'ajout d'acide borique, ce qui a pu empêcher une catastrophe, mais a détruit l'équipement du réacteur. Finalement, avec l'aide de camions de pompiers et de barges, les Japonais ont pu pomper de l'eau douce dans les réacteurs. Mais à ce moment-là, la surveillance avait déjà montré des niveaux alarmants de rayonnement dans les terres et les eaux environnantes. Dans un village à 40 km de cette centrale nucléaire, l'élément radioactif Césium-137 s'est avéré être à des niveaux beaucoup plus élevés qu'après Catastrophe de Tchernobyl, ce qui a soulevé des doutes quant à la possibilité d'habitation humaine dans cette zone.

Réacteur nucléaire (atomique)
réacteur nucléaire

Réacteur nucléaire (atomique) - une installation dans laquelle s'effectue une réaction en chaîne de fission nucléaire contrôlée et auto-entretenue. Les réacteurs nucléaires sont utilisés dans l'industrie de l'énergie nucléaire et à des fins de recherche. La partie principale du réacteur est sa zone active, où la fission nucléaire a lieu et où l'énergie nucléaire est libérée. La zone active, qui a généralement la forme d'un cylindre d'un volume allant de fractions de litre à plusieurs mètres cubes, contient des matières fissiles (combustible nucléaire) en quantité dépassant la masse critique. Le combustible nucléaire (uranium, plutonium) est placé, en règle générale, à l'intérieur d'éléments combustibles (éléments FE), dont le nombre dans le cœur peut atteindre des dizaines de milliers. Les TVEL sont regroupées en paquets de plusieurs dizaines ou centaines de pièces. Le noyau dans la plupart des cas est un ensemble d'éléments combustibles immergés dans un milieu modérateur (modérateur) - une substance, due à des collisions élastiques avec des atomes dont l'énergie des neutrons qui provoquent et accompagnent la fission est réduite aux énergies d'équilibre thermique avec le moyen. Ces neutrons "thermiques" ont une capacité accrue à provoquer la fission. En tant que modérateur, l'eau (y compris lourde, D 2 O) et le graphite sont généralement utilisés. Le cœur du réacteur est entouré d'un réflecteur fait de matériaux capables de bien diffuser les neutrons. Cette couche renvoie les neutrons émis par le cœur vers cette zone, augmentant la vitesse de la réaction en chaîne et réduisant la masse critique. Un blindage biologique contre les rayonnements fait de béton et d'autres matériaux est placé autour du réflecteur pour réduire le rayonnement à l'extérieur du réacteur à un niveau acceptable.
Dans la zone active, à la suite de la fission, une énorme énergie est libérée sous forme de chaleur. Il est retiré du cœur à l'aide de gaz, d'eau ou d'une autre substance (liquide de refroidissement), qui est constamment pompée à travers le cœur, lavant les éléments combustibles. Cette chaleur peut être utilisée pour créer de la vapeur chaude qui fait tourner une turbine dans une centrale électrique.
Pour contrôler la vitesse de la réaction de fission en chaîne, des barres de contrôle constituées de matériaux absorbant fortement les neutrons sont utilisées. Leur introduction dans le cœur réduit la vitesse de la réaction en chaîne et, si nécessaire, l'arrête complètement, malgré le fait que la masse de combustible nucléaire dépasse la masse critique. Au fur et à mesure que les barres de commande sont retirées du cœur, l'absorption des neutrons diminue et la réaction en chaîne peut être amenée au stade de l'auto-entretien.
Le premier réacteur a été lancé aux États-Unis en 1942. En Europe, le premier réacteur a été lancé en 1946 en URSS.

Le dispositif et le principe de fonctionnement sont basés sur l'initialisation et le contrôle d'une réaction nucléaire auto-entretenue. Il est utilisé comme outil de recherche, pour la production d'isotopes radioactifs et comme source d'énergie pour les centrales nucléaires.

principe de fonctionnement (brièvement)

Ici, un processus est utilisé dans lequel un noyau lourd se décompose en deux fragments plus petits. Ces fragments sont dans un état hautement excité et émettent des neutrons, d'autres particules subatomiques et des photons. Les neutrons peuvent provoquer de nouvelles fissions, à la suite desquelles davantage de neutrons sont émis, et ainsi de suite. Une telle série continue et auto-entretenue de scissions est appelée une réaction en chaîne. Dans ce cas, une grande quantité d'énergie est libérée, dont la production est le but de l'utilisation des centrales nucléaires.

Le principe de fonctionnement d'un réacteur nucléaire est tel qu'environ 85 % de l'énergie de fission est libérée dans un laps de temps très court après le début de la réaction. Le reste est produit par la désintégration radioactive des produits de fission après qu'ils ont émis des neutrons. La désintégration radioactive est le processus par lequel un atome atteint un état plus stable. Il continue même après l'achèvement de la division.

Dans une bombe atomique, la réaction en chaîne augmente en intensité jusqu'à ce que la majeure partie du matériau ait été divisée. Cela se produit très rapidement, produisant les explosions extrêmement puissantes caractéristiques de telles bombes. Le dispositif et le principe de fonctionnement d'un réacteur nucléaire reposent sur le maintien d'une réaction en chaîne à un niveau contrôlé, quasi constant. Il est conçu de manière à exploser comme bombe atomique, ne peux pas.

Réaction en chaîne et criticité

La physique d'un réacteur à fission nucléaire est que la réaction en chaîne est déterminée par la probabilité de fission nucléaire après l'émission de neutrons. Si la population de ces derniers diminue, alors le taux de fission finira par tomber à zéro. Dans ce cas, le réacteur sera dans un état sous-critique. Si la population de neutrons est maintenue à un niveau constant, le taux de fission restera stable. Le réacteur sera dans un état critique. Et enfin, si la population de neutrons augmente avec le temps, le taux et la puissance de fission augmenteront. L'état du cœur deviendra supercritique.

Le principe de fonctionnement d'un réacteur nucléaire est le suivant. Avant son lancement, la population de neutrons est proche de zéro. Les opérateurs retirent alors les barres de commande du cœur, augmentant la fission nucléaire, ce qui place temporairement le réacteur dans un état supercritique. Après avoir atteint la puissance nominale, les opérateurs retournent partiellement les barres de contrôle en ajustant le nombre de neutrons. A l'avenir, le réacteur est maintenu dans un état critique. Lorsqu'il doit être arrêté, les opérateurs insèrent complètement les tiges. Cela supprime la fission et amène le cœur à un état sous-critique.

Types de réacteurs

La plupart des installations nucléaires dans le monde produisent de l'énergie, générant la chaleur nécessaire pour faire tourner les turbines qui entraînent les générateurs d'énergie électrique. Il existe également de nombreux réacteurs de recherche et certains pays disposent de sous-marins ou de navires de surface à propulsion nucléaire.

Centrales électriques

Il existe plusieurs types de réacteurs de ce type, mais la conception à eau légère a trouvé une large application. À son tour, il peut utiliser de l'eau sous pression ou de l'eau bouillante. Dans le premier cas, le liquide haute pression chauffé par la chaleur du noyau et pénètre dans le générateur de vapeur. Là, la chaleur du circuit primaire est transférée au secondaire, qui contient également de l'eau. La vapeur éventuellement générée sert de fluide de travail dans le cycle de la turbine à vapeur.

Le réacteur de type bouillant fonctionne sur le principe d'un cycle à énergie directe. L'eau, traversant la zone active, est portée à ébullition à un niveau de pression moyenne. La vapeur saturée traverse une série de séparateurs et de sécheurs situés dans la cuve du réacteur, ce qui l'amène à un état surchauffé. La vapeur d'eau surchauffée est ensuite utilisée comme fluide de travail pour faire tourner une turbine.

Refroidi au gaz à haute température

Un réacteur à haute température refroidi par gaz (HTGR) est un réacteur nucléaire dont le principe de fonctionnement repose sur l'utilisation d'un mélange de graphite et de microsphères combustibles comme combustible. Il existe deux conceptions concurrentes :

le système allemand de «remplissage», qui utilise des éléments combustibles sphériques de 60 mm, qui sont un mélange de graphite et de combustible dans une coque en graphite;
une version américaine sous forme de prismes hexagonaux en graphite qui s'imbriquent pour former une zone active.

Dans les deux cas, le fluide caloporteur est constitué d'hélium à une pression d'environ 100 atmosphères. Dans le système allemand, l'hélium passe à travers des interstices dans la couche d'éléments combustibles sphériques, et dans le système américain, à travers des trous dans des prismes en graphite situés le long de l'axe de la zone centrale du réacteur. Les deux options peuvent fonctionner à des températures très élevées, car le graphite a une température de sublimation extrêmement élevée, tandis que l'hélium est complètement inerte chimiquement. L'hélium chaud peut être utilisé directement comme fluide de travail dans une turbine à gaz à haute température, ou sa chaleur peut être utilisée pour générer de la vapeur dans un cycle de l'eau.

Métal liquide et principe de fonctionnement

Les réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium ont suscité beaucoup d'attention dans les années 1960 et 1970. Ensuite, il est apparu que leur capacité à se reproduire dans un avenir proche était nécessaire à la production de combustible pour l'industrie nucléaire en plein développement. Lorsqu'il est devenu clair dans les années 1980 que cette attente était irréaliste, l'enthousiasme s'est estompé. Cependant, un certain nombre de réacteurs de ce type ont été construits aux États-Unis, en Russie, en France, en Grande-Bretagne, au Japon et en Allemagne. La plupart d'entre eux fonctionnent au dioxyde d'uranium ou son mélange avec du dioxyde de plutonium. Aux États-Unis, cependant, plus grand succès a été réalisé avec des combustibles métalliques.

CANDU

Le Canada a concentré ses efforts sur les réacteurs qui utilisent de l'uranium naturel. Cela élimine la nécessité pour son enrichissement de recourir aux services d'autres pays. Le résultat de cette politique fut le réacteur deutérium-uranium (CANDU). Le contrôle et le refroidissement y sont effectués par de l'eau lourde. Le dispositif et le principe de fonctionnement d'un réacteur nucléaire est d'utiliser une cuve à D 2 O froid à pression atmosphérique. Le cœur est percé de tuyaux en alliage de zirconium avec combustible à l'uranium naturel, à travers lesquels de l'eau lourde le refroidit. L'électricité est produite en transférant la chaleur de fission dans l'eau lourde au liquide de refroidissement qui circule dans le générateur de vapeur. La vapeur du circuit secondaire traverse alors un cycle de turbine classique.

Installations de recherche

Pour recherche scientifique le réacteur nucléaire le plus couramment utilisé, dont le principe de fonctionnement est l'utilisation d'un refroidissement par eau et d'éléments combustibles en uranium en forme de plaques sous forme d'assemblages. Capable de fonctionner sur une large gamme de niveaux de puissance, de quelques kilowatts à des centaines de mégawatts. La production d'électricité n'étant pas la tâche principale des réacteurs de recherche, ils se caractérisent par l'énergie thermique générée, la densité et l'énergie nominale des neutrons dans le cœur. Ce sont ces paramètres qui permettent de quantifier la capacité d'un réacteur de recherche à mener des études spécifiques. Les systèmes à faible puissance sont généralement utilisés dans les universités pour l'enseignement, tandis que les laboratoires de recherche ont besoin d'une puissance élevée pour les tests de matériaux et de performances et la recherche générale.

Le réacteur nucléaire de recherche le plus courant, dont la structure et le principe de fonctionnement sont les suivants. Sa zone active est située au fond d'un grand bassin d'eau profonde. Cela simplifie l'observation et le placement des canaux à travers lesquels les faisceaux de neutrons peuvent être dirigés. À de faibles niveaux de puissance, il n'est pas nécessaire de purger le liquide de refroidissement, car la convection naturelle du liquide de refroidissement fournit une dissipation de chaleur suffisante pour maintenir un état de fonctionnement sûr. L'échangeur de chaleur est généralement situé à la surface ou au sommet de la piscine où l'eau chaude s'accumule.

Installations navales

L'application originale et principale des réacteurs nucléaires est leur utilisation dans les sous-marins. Leur principal avantage est que, contrairement aux systèmes de combustion à combustible fossile, ils n'ont pas besoin d'air pour produire de l'électricité. Par conséquent, un sous-marin nucléaire peut rester immergé pendant de longues périodes, tandis qu'un sous-marin diesel-électrique conventionnel doit périodiquement remonter à la surface pour démarrer ses moteurs dans les airs. donne un avantage stratégique aux navires de guerre. Grâce à lui, il n'est pas nécessaire de faire le plein dans des ports étrangers ou auprès de pétroliers facilement vulnérables.

Le principe de fonctionnement d'un réacteur nucléaire sur un sous-marin est classifié. Or, on sait qu'aux USA on utilise de l'uranium fortement enrichi, et que le ralentissement et le refroidissement se font par de l'eau légère. La conception du premier réacteur du sous-marin nucléaire USS Nautilus a été fortement influencée par de puissantes installations de recherche. Ses caractéristiques uniques sont une très grande marge de réactivité, qui assure une longue période de fonctionnement sans ravitaillement et la possibilité de redémarrer après un arrêt. La centrale électrique des sous-marins doit être très silencieuse pour éviter d'être détectée. Pour répondre aux besoins spécifiques des différentes classes de sous-marins, différents modèles de centrales électriques ont été créés.

Les porte-avions de l'US Navy utilisent un réacteur nucléaire dont le principe serait emprunté aux plus gros sous-marins. Les détails de leur conception n'ont pas non plus été publiés.

En plus des États-Unis, la Grande-Bretagne, la France, la Russie, la Chine et l'Inde ont des sous-marins nucléaires. Dans chaque cas, la conception n'a pas été divulguée, mais on pense qu'ils sont tous très similaires - c'est une conséquence des mêmes exigences pour leur spécifications techniques. La Russie dispose également d'une petite flotte qui a été équipée des mêmes réacteurs que les sous-marins soviétiques.

Installations industrielles

À des fins de production, on utilise un réacteur nucléaire dont le principe de fonctionnement est une productivité élevée avec un faible niveau de production d'énergie. Cela est dû au fait qu'un long séjour du plutonium dans le cœur conduit à l'accumulation de 240 Pu indésirable.

Production de tritium

Actuellement, le principal matériau produit par de tels systèmes est le tritium (3 H ou T) - la charge du plutonium-239 a une longue demi-vie de 24 100 ans, de sorte que les pays dotés d'arsenaux armes nucléaires Ceux qui utilisent cet élément ont tendance à en avoir plus que nécessaire. Contrairement au 239 Pu, le tritium a une demi-vie d'environ 12 ans. Ainsi, afin de maintenir les approvisionnements nécessaires, cet isotope radioactif de l'hydrogène doit être produit en continu. Aux États-Unis, Savannah River, en Caroline du Sud, par exemple, exploite plusieurs réacteurs à eau lourde produisant du tritium.

Unités de puissance flottantes

Des réacteurs nucléaires ont été créés pour fournir de l'électricité et du chauffage à la vapeur à des zones isolées éloignées. En Russie, par exemple, de petites centrales électriques spécialement conçues pour desservir les communautés de l'Arctique ont trouvé une utilisation. En Chine, une centrale HTR-10 de 10 MW fournit de la chaleur et de l'électricité à l'institut de recherche où elle se trouve. De petits réacteurs contrôlés dotés de capacités similaires sont en cours de développement en Suède et au Canada. Entre 1960 et 1972, l'armée américaine a utilisé des réacteurs à eau compacts pour alimenter des bases éloignées au Groenland et en Antarctique. Elles ont été remplacées par des centrales au fioul.

Exploration de l'espace

De plus, des réacteurs ont été développés pour l'alimentation électrique et le déplacement dans Cosmos. Entre 1967 et 1988 Union soviétique installé de petites installations nucléaires sur des satellites de la série Kosmos pour alimenter les équipements et la télémétrie, mais cette politique est devenue la cible de critiques. Au moins un de ces satellites est entré dans l'atmosphère terrestre, entraînant une contamination radioactive de régions éloignées du Canada. Les États-Unis n'ont lancé qu'un seul satellite à propulsion nucléaire en 1965. Cependant, des projets pour leur utilisation dans des vols spatiaux lointains, l'exploration habitée d'autres planètes ou sur une base lunaire permanente continuent d'être développés. Il s'agira certainement d'un réacteur nucléaire refroidi au gaz ou à métal liquide, principes physiques qui fournira la température la plus élevée possible requise pour minimiser la taille du radiateur. De plus, le réacteur de l'engin spatial doit être aussi compact que possible pour minimiser la quantité de matériau utilisé pour le blindage et pour réduire le poids pendant le lancement et le vol spatial. L'alimentation en carburant assurera le fonctionnement du réacteur pendant toute la durée du vol spatial.

Le réacteur nucléaire fonctionne en douceur et avec précision. Sinon, comme vous le savez, il y aura des problèmes. Mais que se passe-t-il à l'intérieur ? Essayons de formuler le principe de fonctionnement d'un réacteur nucléaire (atomique) brièvement, clairement, avec des arrêts.

En fait, le même processus s'y déroule que lors d'une explosion nucléaire. Ce n'est que maintenant que l'explosion se produit très rapidement, et dans le réacteur tout cela s'étend sur longue durée. Au final, tout reste sain et sauf, et nous obtenons de l'énergie. Pas tellement que tout s'est immédiatement effondré, mais assez pour fournir de l'électricité à la ville.

comment fonctionne un réacteurtours de refroidissement des centrales nucléaires
Avant de comprendre comment fonctionne une réaction nucléaire contrôlée, vous devez savoir ce qu'est une réaction nucléaire en général.

Une réaction nucléaire est un processus de transformation (fission) noyaux atomiques lors de l'interaction avec des particules élémentaires et des quanta gamma.

Les réactions nucléaires peuvent avoir lieu à la fois avec absorption et avec libération d'énergie. Les deuxièmes réactions sont utilisées dans le réacteur.

Un réacteur nucléaire est un appareil dont le but est de maintenir une réaction nucléaire contrôlée avec dégagement d'énergie.

Souvent, un réacteur nucléaire est également appelé réacteur nucléaire. Notez qu'il n'y a pas de différence fondamentale ici, mais du point de vue de la science, il est plus correct d'utiliser le mot "nucléaire". Il existe aujourd'hui de nombreux types de réacteurs nucléaires. Ce sont d'énormes réacteurs industriels conçus pour produire de l'énergie dans des centrales électriques, des réacteurs nucléaires sous-marins, de petits réacteurs expérimentaux utilisés dans des expériences scientifiques. Il existe même des réacteurs utilisés pour dessaler l'eau de mer.

L'histoire de la création d'un réacteur nucléaire

Le premier réacteur nucléaire a été lancé en 1942, pas si lointain. Cela s'est passé aux États-Unis sous la direction de Fermi. Ce réacteur s'appelait le « tas de bois de Chicago ».

En 1946, le premier réacteur soviétique a démarré sous la direction de Kurchatov. Le corps de ce réacteur était une boule de sept mètres de diamètre. Les premiers réacteurs n'avaient pas de système de refroidissement et leur puissance était minime. Soit dit en passant, le réacteur soviétique avait une puissance moyenne de 20 watts, tandis que le réacteur américain n'avait que 1 watt. A titre de comparaison : la puissance moyenne des réacteurs de puissance modernes est de 5 Gigawatts. Moins de dix ans après le lancement du premier réacteur, la première centrale nucléaire industrielle au monde a été ouverte dans la ville d'Obninsk.

Le principe de fonctionnement d'un réacteur nucléaire (atomique)

Tout réacteur nucléaire comporte plusieurs parties : cœur avec combustible et modérateur, réflecteur de neutrons, caloporteur, système de contrôle et de protection. Les isotopes de l'uranium (235, 238, 233), du plutonium (239) et du thorium (232) sont le plus souvent utilisés comme combustible dans les réacteurs. La zone active est une chaudière à travers laquelle circule de l'eau ordinaire (liquide de refroidissement). Parmi les autres liquides de refroidissement, «l'eau lourde» et le graphite liquide sont moins couramment utilisés. Si nous parlons du fonctionnement d'une centrale nucléaire, alors un réacteur nucléaire est utilisé pour générer de la chaleur. L'électricité elle-même est générée de la même manière que dans d'autres types de centrales électriques - la vapeur fait tourner une turbine et l'énergie du mouvement est convertie en énergie électrique.

Voici un schéma du fonctionnement d'un réacteur nucléaire.

schéma de fonctionnement d'un réacteur nucléaireSchéma d'un réacteur nucléaire dans une centrale nucléaire

Comme nous l'avons déjà dit, la désintégration d'un noyau d'uranium lourd produit des éléments plus légers et quelques neutrons. Les neutrons qui en résultent entrent en collision avec d'autres noyaux, provoquant également leur fission. Dans ce cas, le nombre de neutrons croît comme une avalanche.

Ici, il faut mentionner le facteur de multiplication des neutrons. Donc, si ce coefficient dépasse une valeur égale à un, il y a explosion nucléaire. Si la valeur est inférieure à un, il y a trop peu de neutrons et la réaction s'éteint. Mais si vous maintenez la valeur du coefficient égale à un, la réaction se déroulera longtemps et de manière stable.

La question est de savoir comment faire ? Dans le réacteur, le combustible se trouve dans ce que l'on appelle des éléments combustibles (TVEL). Ce sont des crayons qui contiennent du combustible nucléaire sous forme de petites pastilles. Les barres de combustible sont connectées dans des cassettes hexagonales, dont il peut y avoir des centaines dans le réacteur. Les cassettes avec crayons combustibles sont disposées verticalement, tandis que chaque crayon combustible dispose d'un système permettant de régler la profondeur de son immersion dans le cœur. Outre les cassettes elles-mêmes, il existe parmi elles des barres de contrôle et des barres de protection d'urgence. Les tiges sont faites d'un matériau qui absorbe bien les neutrons. Ainsi, les barres de commande peuvent être descendues à différentes profondeurs dans le coeur, ce qui ajuste le facteur de multiplication des neutrons. Les barres de secours sont conçues pour arrêter le réacteur en cas d'urgence.

Comment démarre un réacteur nucléaire ?

On a compris le principe même de fonctionnement, mais comment démarrer et faire fonctionner le réacteur ? En gros, le voici - un morceau d'uranium, mais après tout, une réaction en chaîne ne s'y déclenche pas d'elle-même. Le fait est qu'en physique nucléaire, il y a le concept de masse critique.

Combustible nucléaireCombustible nucléaire

La masse critique est la masse de matière fissile nécessaire pour déclencher une réaction nucléaire en chaîne.

À l'aide d'éléments combustibles et de barres de commande, une masse critique de combustible nucléaire est d'abord créée dans le réacteur, puis le réacteur est amené au niveau de puissance optimal en plusieurs étapes.

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Dans cet article, nous avons essayé de vous donner une idée générale de la structure et du principe de fonctionnement d'un réacteur nucléaire (atomique). Si vous avez encore des questions sur le sujet ou si l'université a posé un problème en physique nucléaire, veuillez contacter les spécialistes de notre société. Comme d'habitude, nous sommes prêts à vous aider à résoudre tout problème urgent de vos études. En attendant, nous faisons cela, votre attention est une autre vidéo éducative !

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