Espace nucléaire

La génération I des réacteurs nucléaires date des années 1950, avec des réacteurs tout d'abord produits aux États-Unis, en Russie, en France et en Grande-Bretagne principalement. Cette génération de réacteurs fonctionnait à l'uranium naturel, l'uranium enrichi n'étant alors pas disponible pour des applications civiles.

La Génération II des réacteurs s'est déployée entre 1970 et 1990, et elle correspond à la majorité des réacteurs encore en service actuellement dans le monde. Elle est née de la volonté de certaines Etats de réduire la dépendance énergétique, dans un contexte de choc pétrolier ayant fortement fait augmenter le coût de l'énergie importée. Il s'agit de réacteurs à eau sous pression (REP) et de réacteurs à eau bouillante (REB).

La Génération III des réacteurs nucléaires, imaginée à partir des années 1990, est actuellement en cours de déploiement. Il ne s'agit pas d'une rupture technologique, mais d'une amélioration de la sécurité et des performances par rapport aux réacteurs REP. Initialement prévu pour 2012, le premier réacteur nucléaire de troisième génération en France devrait entrer en service en 2016 sur le site de Flamanville. Il s'agit d'un réacteur de type EPR (European Pressurized water Reactor).

La Génération IV des réacteurs nucléaires est actuellement à l'étude, avec un objectif de déploiement industriel à partir des années 2030. Les systèmes visent à minimiser les déchets radioactifs et à utiliser au mieux les ressources naturelles en combustible, tout en ajoutant à la fonction centrale de production d’électricité des réponses à d'autres besoins tels que la production d’hydrogène pour les transports et d'eau potable par dessalement de l’eau de mer.

 

Le réacteur à eau sous pression (REP) constitue 90% du parc nucléaire français. L'eau est pressurisée à 155 bars à l'aide du pressuriseur contenu dans le circuit primaire. Cette eau constitue le modérateur ainsi que le fluide caloporteur, tandis que le combustible est le dioxyde d'uranium enrichi.

Un réacteur du même genre est mis au point : le réacteur à eau bouillante. Dans ce type de réacteur, l'eau n'est pas mise sous pression et donc boue au contact du combustible. De ce fait la vapeur dégagée va directement à la turbine. Ce réacteur utilise le même modérateur, fluide caloporteur et combustible que les REP, ce type de réacteur n'existe pas en France.

Un réacteur dit UNGG (Uranium Naturel Graphite Gaz), qui comme son nom l'indique, utilise l'uranium naturel (moins onéreux que l'uranium enrichi) comme combustible, le graphite comme modérateur et le gaz carbonique comme fluide caloporteur ainsi que fluide de refroidissement. Ce réacteur a fait parti du parc français mais il a cessé de fonctionner en 1969 car il délivrait une faible puissance et, lors de sa construction, coûtait trop cher.

Les réacteurs à eau lourde, où le combustible est l'uranium naturel ou enrichi, utilisent l'eau lourde comme modérateur et fluide caloporteur. Une molécule d'eau lourde est constituée d'un atome d'oxygène et deux atomes de deutérium (un isotope de l'hydrogène.) Ce liquide est un meilleur modérateur que l'eau ordinaire. Il est beaucoup utilisé au Canada, et convoité par les pays en voie de développement (PVD), qui voit le faible coût de l'uranium naturel.

Les réacteurs à haute température utilisent l'uranium enrichi additionné de thorium (métal blanc radioactif) comme combustible. Le modérateur est le graphite, et l'hélium étant le fluide caloporteur. Il est dit à haute température car il atteint environ 900°C. Cette filière des réacteurs à haute température est surtout utilisée aux Etats-Unis ainsi qu'en Allemagne.

Les réacteurs RBMK (ce qui signifie en Russe " grande puissance canal ") utilisent l'uranium faiblement enrichi à 1,8% comme combustible. Le modérateur est du graphite présent sous forme d'un empilement de briques, et le fluide caloporteur est l'eau bouillante. L'eau se transforme en vapeur après avoir traversé l'empilement de graphite et d'être passer le long du combustible. Cette vapeur est recueillie puis envoyée vers les turbines. Dans ce type de réacteur, il n'existe pas de circuit intermédiaire entre le réacteur et la turbine. Cette filière représente près de 45% de la puissance nucléaire installe en ex-URSS, et ils font partis des plus puissants au monde, car ils délivre une puissance de 1,6GW. Ce type de réacteur équipait notamment la célèbre centrale de Tchernobyl en Ukraine.

Les réacteurs à neutrons rapides (RNR) : qui, contrairement à tous les autres réacteurs ne disposent pas de milieu modérateur. Le premier réacteur construit en 1951 était de ce type. Cette filière présente une plus grande puissance thermique, elle utilise l'uranium appauvri ainsi que du plutonium comme combustible. Le fluide caloporteur est le sodium. Ce dernier est un très bon conducteur thermique, et en plus il absorbe et ralentit très peu les neutrons. Ce sodium passe dans le coeur du réacteur (circuit primaire) mais reste dans la chaudière (cuve) et c'est un second circuit de sodium, qui lui au contraire n'est pas radioactif grâce aux protections en acier qui entourent le coeur du réacteur, va recevoir la chaleur contenue dans le sodium du circuit primaire. Ce dernier va transformer l'eau en vapeur par l'intermédiaire du générateur de vapeur. Ce type de réacteur permet d'obtenir 50 à 70 fois plus d'énergie électrique à partir de l'uranium qu'un réacteur à eau sous pression. Le RNR a un grand avantage, il a la capacité de fonctionner de trois manières différentes :
- Il peut être surgénérateur : c'est à dire que sa production de plutonium excède sa consommation, de cette manière il utilise l'uranium appauvri comme combustible issu des centrales nucléaires classiques.
- Il peut être convertisseur : il consomme autant de plutonium qu'il n'en produit.
- Et enfin il peut être incinérateur : il consomme le plutonium, brûle celui des autres centrales et il convertit les produits très radioactifs en produit peu radioactif.
Un autre avantage à cette filière, c'est que les températures varient très lentement, et de ce fait les opérateurs ne prennent pas des décisions dans l'urgence et les rejets thermiques sont moins important que ce des autres centrales. Il existe un réacteur de ce type en France, connu sous le nom de Superphenix qui est un surgénérateur puissant (= 1,3 GW), et depuis son démarrage il a produit environ 4,3 milliards de kWh.

Tous ces réacteurs sont performants mais ont encore des inconvénients, c'est pour cela que certains pays comme la France, les Etats-Unis, ou encore l'Espagne sont à la recherche de nouveaux type de réacteurs :
- Les réacteurs à sels fondus. Sa particularité c'est que le combustible est liquide, il est constitué d'un mélange de sels de lithium, de béryllium, de thorium, et d'uranium enrichi à 30%. Ce combustible passe dans des canaux à l'intérieur du modérateur, le graphite, qui cède la chaleur à un autre sel, qui lui aussi la cède grâce à un générateur de vapeur. Cette filière aurait un fort rendement thermique mais malheureusement la France et les Etats-Unis n'ont pas eu beaucoup de succès.
- Le réacteur à haute température à cycle direct : sa particularité c'est de supprimer le circuit intermédiaire. La chaleur est transmise directement du coeur du réacteur à la turbine à gaz. Le fluide caloporteur est constitue d'hélium.
L'intérêt de ces réacteurs est de supprimer le générateur de vapeur.

L'Amplificateur d'Energie (AE) a été conçu par le lauréat du prix Nobel de physique Carlo Rubbia. L'AE n'utilise pas le principe de la fission nucléaire en chaîne, mais est dirigé par un flux continu de neutrons produit par un accélérateur de particules, qui bombarde le combustible constitue de thorium et de petites quantités de plutonium enrichi. Tout d'abord le thorium existe en abondance sur la Terre par rapport à l'uranium et de plus le plutonium y est totalement consommé. Ce type de réacteur se révèle efficace, car il pourrait représenter une solution pour les déchets radioactifs.

Pour aller plus loin

Areva.com/servlet/understand-fr.html - Espace didactique sur le réacteur nucléaire, proposé par la société Areva.