Réacteur nucléaire - Définition

Classification des réacteurs nucléaires - Notion de filière de réacteurs nucléaires (Types de réacteurs nucléaires)

Filière de réacteurs nucléaires

On regroupe sous le label "filière de réacteurs (nucléaires)" l'ensemble des conditions techniques qui permettent d'obtenir la réaction nucléaire de fission en chaine et la contrôler

Les différents types de réacteurs existants dans le monde suivant les différentes applications (le type de réacteur est attaché à un constructeur donné) sont ainsi regroupés par "filière de réacteurs"; filières nucléaires)

Une filière de réacteur est ainsi caractérisée par:

• la nature du combustible :
  • oxyde d'uranium naturel, plus ou moins enrichi,
  • mélange d'oxydes uranium-plutonium,
  • thorium, etc.

• la nature du modérateur pour les réacteurs à neutrons thermiques :
  • eau,
  • eau lourde,
  • graphite
  • ou de son absence dans le cas d'un réacteur à neutrons rapides,

• la nature du fluide caloporteur :
  • eau pressurisée,
  • eau bouillante,
  • gaz,
  • métal liquide (sodium)
  • ou sels fondus.

Une filière de réacteurs représente un ensemble de choix technologiques qui sont très lourds de conséquences et très engageants sur la longue période, par exemple :

• d'un point de vue technique, il existe beaucoup plus de points communs entre deux réacteurs de la même filière construits par deux constructeurs différents dans des pays différents et donc autorisés d'exploiter par des autorités de sûreté différentes qu'entre deux réacteurs de filières différentes construits par le même constructeur dans le même pays (par exemple, les réacteurs russes VVER sont beaucoup plus proches des PWR tels que développés en France que des réacteurs graphite-gaz)
• d'un point de vue stratégique social ou économique, si un constructeur ou un pays a fait le choix d'une filière de réacteurs, il lui sera très difficile d'en changer ultérieurement.

Le cycle du combustible nucléaire est défini par les trois paramètres liés à la filière de réacteurs (combustible nucléaire, modérateur, caloporteur).

Par abus de langage, on emploie l'expression filière des réacteurs à eau pressurisée (au sujet des réacteurs), en incluant implicitement les phases amont et aval du cycle. L'expression cycle du combustible nucléaire évoque explicitement toutes les phases.

Filières «thermiques» et filières «rapides»

On regroupe généralement les filières de réacteurs en deux groupes principaux qui se distinguent principalement par la voie choisie pour obtenir les conditions de criticité dans le cœur du réacteur, il y a donc ainsi :

• les filières dites «thermiques» (on dit aussi modérées) qui mettent en œuvre la grande capacité des neutrons de faible énergie (neutrons à l'énergie thermique à l' équilibre avec le milieu = 0,45 keV) à provoquer la fission de l'uranium 235 et du plutonium 239; ces filières comportent donc toutes un modérateur destiné à ralentir par chocs successifs les neutrons issus des fissions (émis avec une énergie de l' ordre de 2 MeV) au niveau thermique sans les absorber

• les filières dites «rapides» qui ne mettent pas en œuvre de modérateur en tant que tel mais visent à concentrer davantage la matière fissile de façon à obtenir les conditions de criticité en neutrons « rapides » issus des fissions sans ralentissement (ou alors très faible). L'intérêt principal des filières et réacteurs rapides provient de ce que :

• • le flux de neutrons rapides nécessaire pour réaliser la criticité est alors beaucoup plus élevé que le flux thermique équivalent d'un réacteur thermique
  • ce surcroît de flux rapide peut donc être mis à profit pour augmenter le nombre de capture non génératrices de fissions crées dans des atomes lourds fertiles disposés en périphérie du cœur proprement dit

Ces dispositions permettent ainsi de convertir les atomes lourds non fissiles (uranium 238 principalement et aussi thorium 232) en atomes fissiles plutonium 239 et uranium 233. Le réacteur est alors dit "surgénérateur" : en fin de vie du cœur, la quantité d'atomes fissiles présente est supérieure à celle initialement installée dans le cœur du réacteur (avec la remarque complémentaire que dans le cas du thorium l’obtention de la surgénération est quasiment faisable en neutrons thermiques ou à tout le moins fortement ralentis).

Réacteurs d'irradiation ou de recherche

Ces réacteurs sont atypiques, dans la mesure où ils ne sont pas optimisés pour la production d'énergie.

Les réacteurs d'irradiation servent à la production de neutrons libres, qui permet la création d'isotopes radioactifs, utilisés pour la recherche et en médecine. Un réacteur en fonctionnement produit de l'ordre de 1.6 Mole de neutron par méga-Watt thermique et par an, ce qui permet (par activation neutronique) de produire une quantité d'isotopes du même ordre de grandeur (mais le rendement réel est nettement inférieur). Dans la mesure où l'on ne cherche pas à optimiser le rendement thermique de tels réacteurs, leur température et pression de fonctionnement peut être maintenue à des valeurs très faible (pression atmosphérique et moins de 100 °C), ce qui en simplifie beaucoup la conception.

Les réacteurs de recherche peuvent avoir des destinations très variées. Ils peuvent être conçus pour étudier le comportement de la matière sous flux neutronique, ou le comportement du réacteur lui-même dans des situations atypiques (transitoires de puissance, excursions de criticité, fusion de coeur,...) qu'il serait évidemment dangereux de produire dans des réacteurs industriels.

Générations de réacteurs nucléaires

Outre le regroupement technique et technologique évoqué ci-dessus une autre classification est apparue assez récemment voulant classer les réacteurs nucléaires par générations, correspondant chacune à des évolutions technologiques.