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Le réacteur à eau lourde
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Généralités
Le cœur
Les circuits thermiques
Dans le principe du réacteur nucléaire, il est rappelé qu’un modérateur est utile pour obtenir une réaction en chaîne, en ralentissant les neutrons. Les meilleurs ralentisseurs sont les atomes légers : l’hydrogène et son premier isotope le deutérium, le béryllium, le bore, le carbone. Mais il faut que le modérateur n’absorbe pas ou très peu les neutrons. Cette seconde règle conduit à éliminer le bore dont un isotope est un poison pour les neutrons. Les deux meilleurs restent, dans l’ordre, le deutérium et le carbone. Lorsque l’eau ne contient que du deutérium, elle est appelée eau lourde et ses propriétés physiques en ont fait un produit très recherché au début de la seconde guerre mondiale. (La bataille de l’eau lourde, célèbre film !)
Le premier réacteur, construit à Chicago par Enrico Fermi, utilisait le graphite comme modérateur, alors que, peu après, le Canada misait sur l’eau lourde pour son premier réacteur expérimental. De même, le CEA en 1947, construisait sa première expérience française, ZOE, dans une cuve d’eau lourde.
L’eau lourde, en raison de ses propriétés modératrices, permet de réaliser le cœur avec l’uranium sous forme d’oxyde, alors que le graphite nécessite d’utiliser l’uranium sous une forme plus dense : le métal, dont l’élaboration nécessite une opération de métallurgie.
Les premiers réacteurs industriels dans le monde, dans les années 1942 à1948, avaient pour principal objectif la production de plutonium, qu’ils soient du type graphite/gaz/métal ou eau lourde/oxyde. Cependant, très vite les promoteurs ont pensé à la production d’énergie.
Ainsi est née au Canada la filière « CANDU » (Canada, deutérium, uranium).
Par sa rusticité, et par sa très stricte économie de l’uranium, ce modèle a séduit de nombreux Etats, certains avec l’arrière pensée d’une production de plutonium à des fins militaires, comme l’Inde ou la Chine.
Sans prétendre décrire dans le détail ces réacteurs, on trouvera ci-après quelques indications de leurs particularités.
Pour éviter de mettre sous pression de grands volumes d’eau lourde, avec des risques de perte d’un fluide coûteux, la disposition la plus répandue est celle d’une cuve « calandre »,traversée par des tubes de force horizontaux. La cuve est remplie d’eau lourde à pression atmosphérique. Les tubes de force contiennent, chacun, une colonne de plusieurs grappes combustibles.
Chaque grappe est constituée de 20 à 25 petits crayons, longs de 50 centimètres et de 12 à 14 mm. de diamètre. Les colonnes de grappes sont poussées dans chaque tube de calandre, la plus usée sortant quand une grappe neuve est introduite. Cette disposition permet de renouveler le combustible sans arrêter le réacteur.
Chaque crayon est rempli de pastilles d’oxyde d’uranium naturel. En sortie de cœur, l’épuisement du combustible est très poussé, il n’est donc pas envisagé de le retraiter pour le recyclage des matières fissiles encore contenues. Le cycle du combustible est ainsi réduit : pas d’enrichissement d’uranium, pas de recyclage. Cette simplicité est très séduisante. Par contre, le contrôle international de matières « sensibles » telles que le plutonium pose quelques problèmes. Pour diverses autres raisons cette voie n’est pas retenue comme voie d’avenir.
Deux dispositions ont été utilisées selon les concepteurs.
La plus simple consiste à faire passer de l’eau lourde sous pression dans les tubes de force. A la sortie du cœur, l’eau lourde cède sa chaleur dans un générateur de vapeur, comme dans un REP, et retourne refroidie à l’entrée de la calandre.
Une solution plus performante a été mise en œuvre dans certains pays, en France notamment. Les tubes de force laissent circuler un gaz (gaz carbonique par exemple) sous haute pression ; ce gaz transporte la chaleur vers un générateur de vapeur. La qualité de la vapeur peut être excellente (400 °C ou même plus). En France, ce concept a été utilisé pour la centrale EL4 installée dans les monts d’Arrée (Bretagne).
La rupture d’un tube de force dans un réacteur canadien a marqué un coup d’arrêt dans le développement de leur programme, l’accident ayant montré qu’une fusion du cœur n’était pas totalement improbable.
JGN 11/09/2005
