Pourquoi des neutrons rapides
La clé de la surgénération …
Les réacteurs surgénérateurs ont besoin de neutrons rapides et d’un combustible au plutonium pour la « surgénération ». Pour que la surgénération soit possible, il faut que le nombre de neutrons secondaires par fission soit le plus possible supérieur à deux. un étant requis pour l’entretien de la réaction en chaîne, un autre pour régénérer un noyau fissile. Une marge confortable est nécessaire pour tenir compte des pertes et des fuites inévitables.
Cette condition est seulement vérifiée pour le plutonium-239 avec des neutrons rapides et l’uranium-233 avec des neutrons lents et rapides. Des combustible à l’uranium-233 ne sont pas actuellement disponibles. La seule voie restant offerte est celle du plutonium et des neutrons rapides. Le plutonium-239 génère 2,3 neutrons secondaires par capture avec des neutrons rapides, offrant une marge de 0,3 neutrons au-dessus du seuil théorique des deux neutrons requis (pour des neutrons lents cette marge tombe à 0,11 ce qui est insuffisant).
L’uranium-235 ne se prête pas à la surgénération : le nombre de neutrons par capture n’est que de 2,07 avec des neutrons lents (surgénération théoriquement possible, mais la marge de 0,07 est insuffisante) et de 1,9 avec des neutrons rapides (surgénération impossible).
Des captures facteurs de sûreté
L’absence de modérateur assure la sûreté des réacteurs à neutrons rapides dont le combustible est riche en éléments fissiles. Lors des multiples collisions avec des noyaux d’uranium-238 qu’ils subissent en se ralentissant, les neutrons sont capturés avant de devenir lents. Le pourcentage de captures non suivies de fission dans l’uranium-238 est particulièrement important dans la zone des résonances au dessous de 10 keV. Cette capture transforme ultérieurement le noyau en plutonium-239 fissile.
© IN2P3 (Source JANIS)
Dans un surgénérateur, le cœur du combustible riche en plutonium est entouré d’une couverture fertile d’uranium pour que les neutrons rapides qui la traversent soient capturés par un noyau d’uranium-238, qui se transforme ultérieurement en plutonium-239, régénérant ainsi ce noyau fissile.
Contrairement aux réacteurs classiques où l’art consiste à éviter les captures dans l’uranium de peur qu’elles n’entravent la marche du réacteur, ces captures sont au contraire ici recherchées. Les surgénérateurs n’ont pas besoin d’un modérateurs, ce qui rend le cœur de ces réacteurs petit et compact. Les neutrons se ralentissent à la suite des chocs élastiques sur les noyaux lourds présents dans le cœur. Ces chocs favorisent la capture dans les noyaux d’uranium-238 de la couverture fertile.
Réduction de l’inventaire du plutonium avec des réacteurs RNR
Un intérêt des réacteurs à neutrons rapides (RNR) serait de réduire l’inventaire futur du plutonium et des actinides. A gauche, dans le cas d’un parc à cycle ouvert de 60 Gigawatts constitué de REP sans réutilisation, le plutonium et les actinides s’accumuleraient à raison de 13 et 1,5 tonnes par an. A droite, on a supposé un parc de même puissance électrique uniquement composé de RNR. Dans ce scénario hypothétique, le plutonium et les actinides seraient recyclés. L’inventaire du plutonium serait inférieur et celui des actinides serait très réduit.
© IN2P3 (Source des données : Clefs CEA)
Ces captures, qui piègent les neutrons avant qu’ils n’arrivent à des énergies thermiques, assurent aussi la sécurité du réacteur. Si les neutrons devenaient thermiques, le cœur étant riche en éléments fissiles, une réaction en chaîne explosive se développerait. Du point de vue du contrôle de la réaction en chaîne, les réacteurs à neutrons rapides sont très sûrs.
La teneur en plutonium fissile est nettement plus élevée que la teneur en uranium-235 des réacteurs à neutrons lents. Sans cette teneur élevée, ils ne pourraient fonctionner. Les flux de neutrons sont très intenses ce qui compense le fait que les neutrons rapides sont captés moins facilement que les neutrons lents.
SUITE : Pourquoi du sodium pour refroidir ?
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