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“MPSI-fin” — 2013/7/22 — 9:45 — page 128 — #136
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CHAPITRE 2 – CLASSIFICATION PÉRIODIQUE DES ÉLÉMENTS
Formulation chimique
Les conditions physiques qui règnent dans un réacteur nucléaire sont des températures et des pressions élevées. Évacuer l’énergie thermique dégagée par les réactions nucléaires impose le choix d’un fluide caloporteur. Un choix technologique
possible est l’eau liquide sous pression : θ = 323 °C et p = 155 bar dans les réacteurs
nucléaires PWR (les plus répandus en France). Le combustible fissile contient l’élément chimique uranium sous forme de dioxyde d’uranium UO 2 contenu dans une
enveloppe métallique qui évite la dispersion de matériaux radioactifs dans le fluide
caloporteur et qui assure un bon transfert thermique entre le combustible nucléaire
et le fluide caloporteur. La température à l’intérieur des barreaux atteint 2500 °C. Le
choix du dioxyde d’uranium s’explique par la température de fusion élevée (2800 °C)
de celui-ci et sa bonne tenue mécanique à l’irradiation par les neutrons. Le choix
du métal constituant l’enveloppe est guidé essentiellement par la résistance à la
corrosion (ce métal est en contact avec l’eau à haute température) et le comportement vis-à-vis du flux de neutrons (bonne tenue mécanique et faible absorption des
neutrons). Le choix s’est porté sur un alliage de zirconium.
Contrôle du flux de neutrons
Les neutrons émis par la réaction de fission de l’uranium 235
92 U ont une énergie cinétique élevée (neutrons rapides) qui rend peu probable leur capture par un autre
noyau. Le fonctionnement en continu du réacteur nécessite l’emploi de matériaux
qui doivent favoriser le ralentissement des neutrons sans les absorber : ces neutrons ralentis sont appelés neutrons lents ou neutrons thermiques. Différents choix
sont possibles : le graphite, l’eau ou l’eau lourde (D 2 O). Faiblement absorbante et
très bon ralentisseur, cette dernière permet l’emploi d’uranium naturel (ce qui évite
la phase coûteuse d’enrichissement). Malheureusement, ce modérateur est aussi
le plus cher. Le modérateur utilisé en pratique est donc l’eau normale et comme
celle-ci à un pouvoir absorbant notable, le combustible doit être enrichi.
Formation du nucléide 239
94 Pu
Lors du fonctionnement d’un réacteur nucléaire, le nucléide 238
92 U se transforme,
par absorption d’un neutron, en un nucléide fissile, le plutonium 239
94 Pu selon la séquence :
U +
238
92
n
1
0
U
239
92
β −
23,5 min
Np
239
93
β −
2,35 jours
Pu
239
94
α
2,4.10 4 ans
La plutonium produit donne ensuite des réactions de fission dans le réacteur. Néanmoins, les neutrons thermiques ne sont pas propices à cette transformation et les
quantités formées sont limitées dans les réacteurs usuels.
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CHAPITRE 2 – CLASSIFICATION PÉRIODIQUE DES ÉLÉMENTS
Formulation chimique
Les conditions physiques qui règnent dans un réacteur nucléaire sont des températures et des pressions élevées. Évacuer l’énergie thermique dégagée par les réactions nucléaires impose le choix d’un fluide caloporteur. Un choix technologique
possible est l’eau liquide sous pression : θ = 323 °C et p = 155 bar dans les réacteurs
nucléaires PWR (les plus répandus en France). Le combustible fissile contient l’élément chimique uranium sous forme de dioxyde d’uranium UO 2 contenu dans une
enveloppe métallique qui évite la dispersion de matériaux radioactifs dans le fluide
caloporteur et qui assure un bon transfert thermique entre le combustible nucléaire
et le fluide caloporteur. La température à l’intérieur des barreaux atteint 2500 °C. Le
choix du dioxyde d’uranium s’explique par la température de fusion élevée (2800 °C)
de celui-ci et sa bonne tenue mécanique à l’irradiation par les neutrons. Le choix
du métal constituant l’enveloppe est guidé essentiellement par la résistance à la
corrosion (ce métal est en contact avec l’eau à haute température) et le comportement vis-à-vis du flux de neutrons (bonne tenue mécanique et faible absorption des
neutrons). Le choix s’est porté sur un alliage de zirconium.
Contrôle du flux de neutrons
Les neutrons émis par la réaction de fission de l’uranium 235
92 U ont une énergie cinétique élevée (neutrons rapides) qui rend peu probable leur capture par un autre
noyau. Le fonctionnement en continu du réacteur nécessite l’emploi de matériaux
qui doivent favoriser le ralentissement des neutrons sans les absorber : ces neutrons ralentis sont appelés neutrons lents ou neutrons thermiques. Différents choix
sont possibles : le graphite, l’eau ou l’eau lourde (D 2 O). Faiblement absorbante et
très bon ralentisseur, cette dernière permet l’emploi d’uranium naturel (ce qui évite
la phase coûteuse d’enrichissement). Malheureusement, ce modérateur est aussi
le plus cher. Le modérateur utilisé en pratique est donc l’eau normale et comme
celle-ci à un pouvoir absorbant notable, le combustible doit être enrichi.
Formation du nucléide 239
94 Pu
Lors du fonctionnement d’un réacteur nucléaire, le nucléide 238
92 U se transforme,
par absorption d’un neutron, en un nucléide fissile, le plutonium 239
94 Pu selon la séquence :
U +
238
92
n
1
0
U
239
92
β −
23,5 min
Np
239
93
β −
2,35 jours
Pu
239
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α
2,4.10 4 ans
La plutonium produit donne ensuite des réactions de fission dans le réacteur. Néanmoins, les neutrons thermiques ne sont pas propices à cette transformation et les
quantités formées sont limitées dans les réacteurs usuels.
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