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“MPSI-fin” — 2013/7/22 — 9:45 — page 127 — #135
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ACTIVITÉ DOCUMENTAIRE
Fonctionnement d’un réacteur nucléaire
Réaction en chaîne
Le principe d’un réacteur nucléaire est d’utiliser une réaction nucléaire provoquée,
puis ensuite entretenue par l’émission des neutrons produits lors de la fission. Le
but recherché est que les neutrons émis lors d’une fission servent dans une réaction
ultérieure. Or les neutrons produits n’ont pas les propriétés adéquates pour être
absorbés par des noyaux voisins : ils sont trop énergétiques, trop rapides.
Pour entretenir la réaction nucléaire, il faut :
a) augmenter la probabilité de capture par augmentation de la teneur en isotope
fissile dans le matériau utilisé ;
b) ralentir les neutrons pour que la probabilité de capture soit augmentée ;
c) avoir un rapport volume/surface de l’échantillon suffisant pour ne pas trop perdre
de neutrons par rayonnement à travers la surface qui délimite l’échantillon.
Faire fonctionner une centrale nucléaire, c’est faire un choix de différents paramètres
qui assurent une réaction en chaîne stable. Si le taux de neutrons émis qui donnent
une nouvelle réaction nucléaire est trop élevé, la chaîne diverge et la réaction est
explosive : c’est la situation recherchée dans une bombe nucléaire à fission (bombe
A). Si le taux est trop faible, la réaction en chaîne s’arrête et la centrale ne fonctionne
pas.
Combustible nucléaire
Satisfaire les contraintes précédentes conduit à des choix technologiques.
Teneur en nucléide fissile
De très nombreuses centrales fonctionnent avec un combustible nucléaire enrichi en
isotope 235
92 U. Par des processus complexes, la teneur en isotope fissile est portée
de 0,72 % (teneur naturelle) à environ 3 %. Cette augmentation qui semble modeste nécessite des opérations complexes et des installations industrielles de haute
technologie.
Plusieurs procédés ont été mis au point. Une possibilité est de transformer l’uranium
contenu dans les minerais en hexafluorure d’uranium(VI) UF 6 . La vitesse de diffusion
d’un gaz à travers une paroi poreuse est proportionnelle à l’inverse de la racine
carrée de la masse molaire du gaz (loi de GRAHAM). Lorsqu’un mélange gazeux
constitué de 235
92 UF 6 et 238
92 UF 6 est soumis à diffusion gazeuse, les deux molécules
ne traversent pas les parois poreuses à la même vitesse et le gaz recueilli est de
teneur isotopique différente du gaz soumis à diffusion. On pourra calculer le rapport
des vitesses de diffusion en calculant le rapport des masses des deux molécules
soumises à diffusion. En répétant le processus de nombreuses fois, on obtient un
enrichissement isotopique notable. On pourra comparer le nombre de barrière de
diffusion à prévoir pour passer du taux de 0,72 % à un taux de 2 % dans le cas d’un
rendement idéal prévu par la loi de GRAHAM aux 1400 étapes de l’usine du Tricastin.
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Fonctionnement d’un réacteur nucléaire
Réaction en chaîne
Le principe d’un réacteur nucléaire est d’utiliser une réaction nucléaire provoquée,
puis ensuite entretenue par l’émission des neutrons produits lors de la fission. Le
but recherché est que les neutrons émis lors d’une fission servent dans une réaction
ultérieure. Or les neutrons produits n’ont pas les propriétés adéquates pour être
absorbés par des noyaux voisins : ils sont trop énergétiques, trop rapides.
Pour entretenir la réaction nucléaire, il faut :
a) augmenter la probabilité de capture par augmentation de la teneur en isotope
fissile dans le matériau utilisé ;
b) ralentir les neutrons pour que la probabilité de capture soit augmentée ;
c) avoir un rapport volume/surface de l’échantillon suffisant pour ne pas trop perdre
de neutrons par rayonnement à travers la surface qui délimite l’échantillon.
Faire fonctionner une centrale nucléaire, c’est faire un choix de différents paramètres
qui assurent une réaction en chaîne stable. Si le taux de neutrons émis qui donnent
une nouvelle réaction nucléaire est trop élevé, la chaîne diverge et la réaction est
explosive : c’est la situation recherchée dans une bombe nucléaire à fission (bombe
A). Si le taux est trop faible, la réaction en chaîne s’arrête et la centrale ne fonctionne
pas.
Combustible nucléaire
Satisfaire les contraintes précédentes conduit à des choix technologiques.
Teneur en nucléide fissile
De très nombreuses centrales fonctionnent avec un combustible nucléaire enrichi en
isotope 235
92 U. Par des processus complexes, la teneur en isotope fissile est portée
de 0,72 % (teneur naturelle) à environ 3 %. Cette augmentation qui semble modeste nécessite des opérations complexes et des installations industrielles de haute
technologie.
Plusieurs procédés ont été mis au point. Une possibilité est de transformer l’uranium
contenu dans les minerais en hexafluorure d’uranium(VI) UF 6 . La vitesse de diffusion
d’un gaz à travers une paroi poreuse est proportionnelle à l’inverse de la racine
carrée de la masse molaire du gaz (loi de GRAHAM). Lorsqu’un mélange gazeux
constitué de 235
92 UF 6 et 238
92 UF 6 est soumis à diffusion gazeuse, les deux molécules
ne traversent pas les parois poreuses à la même vitesse et le gaz recueilli est de
teneur isotopique différente du gaz soumis à diffusion. On pourra calculer le rapport
des vitesses de diffusion en calculant le rapport des masses des deux molécules
soumises à diffusion. En répétant le processus de nombreuses fois, on obtient un
enrichissement isotopique notable. On pourra comparer le nombre de barrière de
diffusion à prévoir pour passer du taux de 0,72 % à un taux de 2 % dans le cas d’un
rendement idéal prévu par la loi de GRAHAM aux 1400 étapes de l’usine du Tricastin.
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