Superphénix - Définition

Fonctionnement

Le réacteur à neutrons rapides Superphénix était un réacteur qui développait une puissance comparable à celle d'une tranche d'une centrale nucléaire classique ou de deux centrales thermiques de forte puissance : 3000 MWth et 1240 MWe, soit un rendement brut de 41,3%. Le combustible préférentiel du réacteur est le plutonium 239 mais pouvait également utiliser du MOX (plutonium sur support uranium appauvri) issu du retraitement. Le développement de ce combustible utilisé également dans les centrales classiques fut également une des causes invoquées du démantèlement de Superphénix.

Le principe de fonctionnement de Superphénix est celui d'un réacteur à fission nucléaire utilisant des neutrons rapides (sans modérateur) et utilisant du sodium liquide comme caloporteur dans son circuit de refroidissement primaire. Chaque fission de noyau lourd dégage à peu près 200 MeV. Par conséquent, 1 MWh correspond à 1 g de combustible. Pour un fonctionnement à pleine puissance 300 jours par an, la consommation de Superphénix aurait donc été de 3000 x 300 = 900 kg de plutonium, soit à peu près une tonne. Ce chiffre est à comparer aux 15 106 tonnes de pétrole annuelles d'une centrale thermique, ou même aux 27 tonnes d'uranium enrichi d'un réacteur à eau pressurisée ^{[citation nécessaire]}.

La fission du combustible, induite par un flux neutronique, dégage de l'énergie en même temps qu'un certain nombre de neutrons, dont une partie induira à nouveau des fissions, entretenant ainsi la réaction en chaîne. D'autre part, certains neutrons participent à la transmutation de l'uranium-238 en plutonium-239, lequel est aussi fissile.

La chaleur produite dans le réacteur Superphénix était évacuée avec du sodium liquide (550 °C). En effet, il fallait à la fois que le matériau soit un caloporteur efficace (comme l'eau) et qu'il ne ralentisse pas les neutrons (contrairement à l'eau). Ce premier circuit (primaire) de sodium échangeait la chaleur avec un circuit secondaire de sodium, puis avec un circuit à eau, laquelle entrainait les turbines de l'alternateur après vaporisation.

Le circuit de refroidissement de Superphénix était de type piscine (pool reactor) : le sodium du circuit primaire, potentiellement radioactif, était confiné à l'intérieur de la cuve et un échangeur intermédiaire permettait l'échange de chaleur avec le circuit secondaire de refroidissement de sodium. Ceci constituait une innovation technologique majeure par rapport au système notamment utilisé sur Rapsodie et les surgénérateurs américains : le refroidissement par boucles (loop reactor) où plusieurs boucles (2 dans le cas de Rapsodie et jusqu'à 6 pour certains réacteurs) de sodium permettaient l'échange entre circuit primaire et circuit secondaire, le sodium primaire radioactif n'étant alors pas confiné à l'intérieur de la cuve.

Bilan neutronique d'un REP

On suppose que le seul matériau fissile est l'uranium 235. Les nombres indiqués sont des ordres de grandeur. 100 fissions d'uranium 235 libèrent en moyenne 250 neutrons, qui donnent lieu aux réactions suivantes :

• 100 neutrons provoquent 100 nouvelles fissions, entretenant ainsi la réaction en chaîne, et consommant 100 noyaux du matériau fissile,
• 70 neutrons subissent des captures fertiles par 70 noyaux du matériau fertile uranium 238, les transformant en autant de noyaux fissiles de plutonium 239,
• 75 neutrons subissent des captures stériles, soit par des noyaux fissiles (30 neutrons), soit par des noyaux du réfrigérant, des structures du cœur, des éléments de contrôle ou des produits de fission,
• 5 neutrons fuient hors du cœur (pour être capturés par des protections neutroniques).

Bilan neutronique de Superphénix

On suppose que le seul matériau fissile est le plutonium 239. 100 fissions de ²³⁹Pu libèrent en moyenne près de 300 neutrons. Ces neutrons vont subir les réactions suivantes :

• 100 neutrons provoquent 100 nouvelles fissions, entretenant la réaction en chaîne et consommant 100 noyaux fissiles de ²³⁹Pu,
• 100 neutrons subissent, dans le cœur même du réacteur, une capture fertile par 100 noyaux de ²³⁸U, les transformant en autant de noyaux fissiles de ²³⁹Pu,
• 40 neutrons subissent une capture stérile, soit par des noyaux fissiles (20 neutrons), soit par des noyaux du réfrigérant, des structures, des éléments de contrôle ou des produits de fission,
• 60 neutrons fuient hors du cœur proprement dit, où ils subissent pour l'essentiel (50 neutrons) une capture fertile par 50 noyaux de ²³⁸U, les transformant en autant de noyaux de ²³⁹Pu ; les autres neutrons (10) subissent une capture stérile, soit dans les couvertures, soit dans les protections neutroniques.

Comparaison des bilans

Calculons dans les deux cas le taux de régénération TR, soit par définition le rapport du nombre de noyaux fissiles produits par capture fertile au nombre de noyaux fissiles détruits par fission et capture stérile.

• (il ne faut pas oublier les neutrons détruits par capture stérile (i.e. perdus pour la réaction)) ,
• , où on ne prend en compte que la régénération dans le cœur,
• , où on prend en compte la régénération dans le cœur et dans les couvertures.

On voit donc qu'un réacteur tel que Superphénix est surgénérateur grâce à la présence de couvertures. À l'inverse, entourer un REP de couvertures ne servirait à rien, étant donné le faible nombre de neutrons qui fuient hors du cœur.

Superphénix était prévu pour produire plus de plutonium qu'il n'en consomme, c'est ce qui s'appelle la surgénération. Cette extraordinaire propriété est due au bilan neutronique expliqué ci-dessus (le taux de régénération est supérieur à 1). Des recherches ont été réalisées sur Superphénix pour expérimenter un tel réacteur surgénérateur. Ces recherches se sont portées principalement sur la neutronique, et en particulier sur un examen détaillé du bilan de neutrons dans le réacteur. Ces recherches ont été partiellement interrompues par la fermeture de Superphénix.