Filières de réacteurs

Réacteurs à uranium naturel ou enrichi

Il existe plusieurs voies pour produire de l’électricité à partir du phénomène de fission. Ces techniques industrielles sont appelées filières. Une filière est caractérisée par le choix de quelques paramètres essentiels.

Généalogie des réacteurs
L’arbre généalogique des réacteurs comporte des branches éteintes ou en voie d’extinction, alors que d’autres sont vigoureuses ou en émergence. Les six concepts de quatrième génération se situent en haut de l’arbre : Réacteur à gaz à (très) haute température (V)HTR ; Réacteur à eau supercritique SCWR ; Réacteurs à neutrons rapides au sodium ou au plomb RNR ; Réacteur à sels fondus MSR.  Autres sigles : REP réacteur à eau pressurisée ; WPu réacteur plutonigène militaire ; CANDU réacteur à uranium naturel, refroidi et modéré à l’eau lourde ; SGHWR Réacteur à eau lourde producteur de chaleur industrielle ; Magnox et AGR Réacteurs graphite anglais : ADS : réacteurs hybrides.
© CEA/DEN ©

Le choix le plus important est celui du combustible. Il conditionne la nature des neutrons provoquant la fission : soit des neutrons ralentis quand le combustible est à base d’uranium naturel ou modérément enrichi, soit des neutrons dits rapides quand le combustible est riche en éléments fissiles. Les centrales nucléaires produisant actuellement de l’électricité utilisent de l’uranium, qui peut être soit naturel, soit légèrement enrichi ou encore comporter du plutonium.

Pour les réacteurs à neutrons lents, il faut définir la nature du matériau qui ralentira les neutrons, c’est-à-dire le modérateur : graphite, eau lourde, eau ordinaire. Les réacteurs à neutrons rapides ne nécessitent pas de modérateur.

Caractéristiques des principales filières
Les réacteurs fonctionnent à l’uranium naturel ou à l’uranium enrichi. Le recours à l’uranium naturel comme combustible restreint le choix des modérateurs au graphite et à l’eau lourde. L’utilisation d’uranium enrichi ouvre presque tous les choix possibles de caloporteurs (liquide, vapeur ou gaz évacuant la chaleur) et de modérateurs. Certaines combinaisons sont plus heureuses que d’autres : le caloporteur eau a beaucoup de succès, car c’est aussi un bon modérateur. Les réacteurs à eau (REP et REB) constituent la majorité des réacteurs de génération II (actuel) et III (futur proche).
© P.Reuss/Précis de neutronique EDP Sciences ©

Pour évacuer la chaleur du cœur de la centrale et produire de l’électricité, il faut un fluide efficace du point de vue calorifique et peu gourmand en neutrons. Ce fluide « caloporteur » est parfois le même que celui utilisé comme modérateur, eau lourde ou eau ordinaire. Il peut être gazeux (gaz carbonique sous-pression, vapeur d’eau ou même hélium), liquide bouillant ou sous-pression, ou encore (pour les neutrons rapides) un métal fondu comme le sodium ou le plomb.

Il existe d’autres paramètres techniquement importants, comme l’agencement du combustible à l’intérieur du cœur du réacteur, le type d’échangeurs de chaleur, le rapport entre les quantités de modérateur et de combustible.

Certains réacteurs, les premiers à avoir été développés après la seconde guerre mondiale, sont à vocation militaire. Il s’agissait moins de produire de l’électricité que d’obtenir du plutonium de qualité militaire. Ces réacteurs « plutonigènes » donnèrent naissance à des réacteurs civils utilisant l’uranium naturel comme combustible et l’eau lourde ou le graphite comme modérateur.

Prédominance des réacteurs à eau pressurisée
La répartition des puissances électriques installées en 1990 et 1997 montre la prédominance de la filière des réacteurs à eau pressurisée (REP), suivie par celle des réacteurs à eau bouillante. Cette répartition a peu changé depuis. La production d’électricité à partir des réacteurs à neutrons rapides ou surgénérateurs demeure marginale en attendant l’arrivée envisagée vers 2040 des réacteurs de quatrième génération.
© IN2P3 ©

Prédominance des réacteurs à eau légère

La répartition de la puissance électrique installée est caractérisée par la prédominance écrasante des réacteurs à eau légère et uranium enrichi. Parmi les réacteurs à uranium naturel, seule la filière canadienne CANDU à eau lourde fait encore bonne figure.

La filière des réacteurs à eau pressurisée qui fonctionne avec de l’uranium enrichi, constitue à elle seule plus de 60 % du total des Gigawatts produits (80 % en Europe). Viennent ensuite les réacteurs à eau bouillante. Les réacteurs graphite sont en voie de disparition. Les prometteurs réacteurs à neutrons rapides, capable d’extraire beaucoup plus d’énergie de l’uranium attendent l’arrivée éventuelle des réacteurs de quatrième génération. Les ADS, réacteurs couplés à un accélérateur de particules radioactifs, joueraient le rôle de brûleurs de déchets dans la panoplie des filières du futur.

SUITE : Réacteurs de Génération I
SUITE : Réacteurs de Génération II