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Chapitre 2 Les différents types de réacteurs de recherche, situation globale da

Chapitre 2 Les différents types de réacteurs de recherche, situation globale dans le monde, utilisations et risques associés 2.1. Types de réacteurs de recherche ►Différents types adaptés aux applications visées Les réacteurs de recherche peuvent être classés selon leurs ﬁnalités ou applications, les différences de conception de ces réacteurs en résultant. En pratique, on peut distinguer : – les réacteurs d’irradiation ou dits MTR (Material Testing Reactor), qui sont destinés principalement à des études et des tests de divers matériaux et combustibles nucléaires, notamment ceux utilisés pour les réacteurs de puissance, ou encore à la production de radioisotopes à usage médical ; – les réacteurs équipés de « canaux neutroniques7 », souvent appelés « à faisceaux sortis de neutrons », qui sont dédiés essentiellement à la recherche fondamentale, par exemple pour des expériences de diffraction neutronique ; 7. Dans le cadre du présent document, les expressions suivantes seront utilisées : un canal neutronique désignera l’ensemble constitué : pour la partie en piscine du réacteur, d’un « doigt de gant », dont l’extrémité (dans la cuve d’eau lourde et au plus près du cœur) sera appelée « nez » et, pour la partie hors piscine (dans le hall des expérimentateurs), d’un « guide de neutrons ». – les maquettes (ou assemblages) critiques, de très faible puissance thermique, qui sont utilisées notamment pour la détermination de données nucléaires servant à la validation de logiciels de simulation de neutronique des cœurs (de réacteurs de puissance ou de recherche) ; – les réacteurs d’études de sûreté, qui sont spéciﬁquement utilisés pour étudier des situations accidentelles représentatives de celles susceptibles de se produire dans des réacteurs de puissance, telles qu’une perte de refroidissement du combustible ou une insertion de réactivité8 qui pourraient entraîner sa fusion et le relâchement de produits de ﬁssion dans l’environnement ; – les réacteurs d’enseignement, qui sont généralement de faible puissance ther- mique et sont utilisés pour la formation du personnel de l’industrie nucléaire ainsi que pour l’enseignement universitaire. ►Diversité des conceptions Il existe une large gamme de types de conception pour les réacteurs de recherche, contrairement aux réacteurs de puissance pour lesquels un nombre restreint de types de conception s’est progressivement imposé. Parmi la grande diversité des réacteurs de recherche, on peut y distinguer deux groupes principaux que sont : – les réacteurs à eau lourde9 (utilisée comme ﬂuide réfrigérant, modérateur ou réﬂecteur neutronique), – les réacteurs refroidis et modérés à l’eau légère. Parmi les autres types de réacteurs de recherche, on peut citer ceux qui sont modérés neutroniquement par du graphite, les réacteurs homogènes utilisant une solution de nitrate ou de sulfate d’uranium ainsi que les réacteurs à neutrons rapides qui ne 8. Pour caractériser le risque d’emballement d’un cœur, on utilise la notion de réactivité : c’est une grandeur (désignée par ρ) permettant de mesurer l’écart d’un cœur par rapport à son état juste critique (ρ = 0).Typiquement, le retrait ou l’éjection intempestive d’une barre de contrôle ou de sécurité d’un réacteur nucléaire, hors de la zone du cœur, va, par la réduction de la proportion des matériaux absorbants neutroniques dans le cœur, se traduire par un surcroît de « réactivité » du cœur et donc une augmentation de sa puissance, au moins localement. Si cet événement n’est pas maîtrisé par les systèmes de surveillance et de protection du réacteur, il peut conduire à un endommagement signiﬁcatif voire à la fusion d’éléments combustibles du cœur. Les expressions « insertion », « injection », « introduction » ou « apport » sont indifféremment utilisées. L’expression « excursion de puissance » désigne le transitoire de puissance provoqué par une insertion de réactivité. 9. Pour les réacteurs utilisant du combustible à base d’uranium 235, ce sont les neutrons lents de faible énergie (optimum pour E = 0,025 eV) qui ont la plus forte probabilité de produire des ﬁssions. Avec un modérateur efﬁcace, les neutrons issus de la ﬁssion de l’uranium 235 sont ralentis jusqu’à ce que leur énergie cinétique soit à peu près égale à l’énergie d’agitation thermique du milieu diffusant (0,025 eV à la température de 300 K), sans être absorbés. La plupart des ﬁssions se produisent alors à cette énergie et le réacteur est dit à neutrons thermiques. Des ﬂuides modérateurs sont ainsi utilisés ; l’eau lourde (D2O) est le meilleur modérateur devant, par ordre décroissant, le graphite, le béryllium et l’eau légère (H2O). 8 Éléments de sûreté nucléaire – Les réacteurs de recherche nécessitent pas de modérateur, mais qui peuvent utiliser comme combustible un mélange d’oxyde d’uranium et d’oxyde de plutonium. – Les réacteurs à eau lourde : Les réacteurs à eau lourde sont de type « cuve dans une piscine » (tank in pool reactor type). Ils permettent de produire des ﬂux intenses de neutrons thermiques, qui sont extraits du cœur grâce à des canaux neutroniques, généralement pour des recherches de physique fondamentale. Les qualités modératrices de l’eau lourde permettent d’obtenir des faisceaux de neutrons exempts de neutrons rapides (considérés comme parasites), bien adaptés aux expériences de physique de la matière. À l’inverse, ces réacteurs sont peu adaptés aux tests de matériaux car la présence d’une cuve fermée destinée à contenir l’eau lourde rend difﬁcile l’accès d’équipements au voisinage proche du cœur du réacteur. – Les réacteurs à eau légère : Les réacteurs à eau légère, dits de type piscine, comportent les réacteurs à cœur ouvert et les réacteurs où le cœur est enfermé dans un caisson, placés dans les deux cas dans une piscine (tank in pool reactor type). Ces réacteurs, sont des installations polyvalentes généralement utilisées pour l’irradiation de divers matériaux. Il convient de noter que, parmi les réacteurs de recherche exploités actuellement dans le monde, ce sont les plus nombreux. La ﬁgure 2.1 ci-après montre le réacteur HFR10 situé à Petten aux Pays-Bas, à caisson fermé. Les réacteurs de type piscine à cœur ouvert permettent en général un accès facile aux emplacements d’irradiation, mais la faible pression d’utilisation (proche de la pression hydrostatique) se traduit par des puissances évacuables moins élevées et donc par des ﬂux neutroniques envisageables plus limités. Les réacteurs de type piscine comportant un caisson fermé permettent d’atteindre des niveaux de puissance plus élevés que les précédents (avec des pressions plus importantes Figure 2.1. Le réacteur HFR de Petten, de type piscine à caisson fermé. © NRG. 10. High Flux Reactor. Les différents types de réacteurs de recherche, situation globale dans le monde 9 que dans les réacteurs à cœur ouvert), mais leur utilisation pour des irradiations expéri- mentales est moins facile du fait de la nécessité de dispositifs de traversée du caisson pour accéder au plus près du cœur, les ﬂux neutroniques hors du caisson étant moins importants à cause de l’absorption des neutrons dans le matériau du caisson. Les réacteurs à eau légère de type piscine à cœur ouvert fonctionnent à de faibles pressions (quelques bars), déterminées par la pression hydrostatique de la hauteur d’eau située au-dessus du cœur (une dizaine de mètres) à laquelle s’ajoute la pression de refoulement des pompes de circulation de l’eau dans le cœur. Pour les réacteurs à eau légère dontle cœurest situé dansun caisson ferméou lesréacteursà eau lourde, lespressions de fonctionnement peuvent être signiﬁcativement plus importantes (environ 10 à 20 bars). Parmi les réacteurs à caisson fermé, la conception adoptée pour le réacteur BR211, développé par SCK CEN au centre de recherche de Mol en Belgique12, en vue de faciliter les expérimentations mérite d’être mentionnée. Ce réacteur, d’une puissance de 100 MW, est modéré et refroidi à l’eau légère sous une pression de 22 bars ; le cœur est constitué dans un massif en béryllium. Pour faciliter l’accès aux emplacements d’irradiation, le caisson se présente sous la forme d’un hyperboloïde de révolution (diabolo – ﬁgure 2.2) dont le cœur occupe la partie rétrécie. Son couvercle supérieur d’un diamètre environ deux fois plus grand laisseainsiplusd’espace pour implanter lesmanchettes depénétrationdesdispositifs d’irradiation qui sont légèrement inclinés par rapport à la verticale13. Figure 2.2. Schéma du réacteur BR2. © SCK CEN. 11. Belgian Reactor 2. 12. L’un des plus importants producteurs de radioisotopes à usage médical. 13. « Les réacteurs de recherche », Francis Merchie, Encyclopédie de l’énergie, 2015. 10 Éléments de sûreté nucléaire – Les réacteurs de recherche ►Combustible et cœur des réacteurs de recherche De façon générale, les cœurs des réacteurs de recherche sont constitués d’éléments combustibles, d’éléments de contrôle et de sécurité contenant des matériaux absorbant les neutrons, d’éléments réﬂecteurs permettant de réduire les fuites de neutrons produits dans le cœur du réacteur, et d’emplacements libres pour des irradiations de matériaux. La description qui suit fait préférentiellement référence aux réacteurs de type piscine. Pour ces réacteurs, les constituants du cœur sont positionnés sur une grille supportée par une structure métallique placée au fond de la piscine remplie d’eau déminéralisée. Les éléments combustibles14 peuvent se présenter sous la forme d’un assemblage de crayons à base d’oxyde d’uranium, mais plus généralement de plaques dont le combus- tible est à base d’alliage d’uranium (UAlx 15 ou U3Si2) et gainé en alliage d’aluminium (par « colaminage ») (ﬁgure uploads/Science et Technologie/ chapitre-2-les-differents-types-de-reacteurs-de-recherche-situation-globale-dans-le-monde-utilisations-et-risques-associes.pdf