Agencement du combustible

Assemblages de combustibles dans le cœur des réacteurs

L’agencement du combustible, qui varie d’une filière à l’autre, constitue l’un des principaux paramètres entrant dans la conception d’un réacteur.

Les matériaux présents dans le cœur d’un réacteur classique doivent remplir trois fonctions : produire de l’énergie, ralentir les neutrons pour entretenir la réaction en chaîne et évacuer la chaleur. Il faut du combustible, un modérateur et un fluide caloporteur.

Rien n’interdit à un composant de remplir plusieurs fonctions à la fois. Dans un réacteur REP à eau pressurisée c’est un même liquide, de l’eau sous pression, qui joue le rôle de modérateur et évacue la chaleur. Dans certains réacteurs de recherche, l’uranium combustible est dissous dans des sels à l’état fondu (chlorures ou fluorures) qui évacuent également la chaleur. Dans les réacteurs à neutrons rapides, le modérateur n’est pas nécessaire.

Hormis le cas très particulier des réacteurs à sels fondus, le combustible se présente à l’état solide, sous la forme d’oxydes insolubles. Au fur et à mesure de l’irradiation, des produits beaucoup plus radioactifs sont générés dont certains sont gazeux ou mobiles. Il faut confiner ces éléments, en les enrobant dans une gaine qui doit être résistante à la température, à la corrosion tout en étant transparente aux neutrons.

Dans un réacteur REP, les crayons de combustibles sont enrobés dans des gaines en zircaloy, un alliage de zirconium et d’étain. Ces crayons sont réunis en assemblages qui sont immergés dans l’eau primaire sous haute pression de la cuve du réacteur. L’agencement en mosaïque du combustible est hétérogène, contrairement aux réacteurs à sels fondus.

Dans ces réacteurs les plus répandus, les crayons de combustibles sont composés généralement de pastilles d’oxyde d’uranium – enrichi en isotope 235 – enrobées dans une gaine de zircaloy. A côté de ce combustible UOX, le cœur de certains réacteurs REP peuvent inclure environ 30 % d’assemblages constitués d’un mélange d’oxyde d’uranium et de plutonium, appelé MOX (Mixed oxydes).

L’agencement des réacteurs à eau bouillante est proche de celui des réacteurs REP. Celui des réacteurs à eau lourde et uranium naturel (filière CANDU) permet un déchargement en continu des barreaux de combustible. Dans les réacteurs RBMK de l’ex-Union Soviétique, le fluide caloporteur (eau) et le modérateur (graphite) sont différents.

Un agencement original est celui des réacteurs à haute température. Le combustible se retrouve au centre de petites billes enrobées d’une couche de carbure de silicium, un matériau très réfractaire qui résiste jusqu’à 1600° C de température et assure un très bon confinement des produits radioactifs. Ce confinement est renforcé par une couche de carbone poreux qui entoure le noyau de combustible. Ces billes sont refroidies par de l’hélium sous haute pression et des blocs de graphite jouent le rôle de modérateur.

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