Résumé du chapitre 1
2.2.1.1. La fission nucléaire
Nous avons vu au paragraphe 1.2.3.3 qu’il y avait équivalence entre la masse et l’énergie, et que la fission des noyaux lourds était très exothermique. C’est le prin- cipe du réacteur nucléaire, dont la fonction est de récupérer l’énergie dégagée par la fission nucléaire. Voyons plus concrètement comment s’effectue la fission nucléaire dans le cœur d’un réacteur nucléaire.
Le projectile utilisé est le neutron. Du fait de son absence de charge électrique, il interagit directement avec le noyau cible sans être dévié de sa trajectoire par le cortège électronique, chargé négativement, qui entoure le noyau, ou par le noyau cible lui-même (chargé positivement).
Dans la réaction de fission, l’interaction entre le neutron et le noyau cible est un processus complexe qui peut être résumé comme suit :
Le neutron est absorbé par le noyau cible qui s’excite, puis se casse en deux frag- ments (appelés produits de fission) de masses voisines avec émission de
neutrons prompts produits de fission gammas prompts neutrons retardés
désintégration p- des PF X radioactifs Figure 2.6. Principe de la fission nucléaire.
Les produits de fission fortement excites se désintègrent par rayonnement y puis par désintégration
0-
suivie, parfois, d’une émission de neutrons dits‘(
retardés”.
On - -
La
distingue donc deux catégories de neutrons émis lors de la fission :
les neutrons prompts, émis instantanément au moment de la fission, a une vitesse moyenne de 20 O00 km/s (2 MeV) ;
les neutrons retardés, émis par les noyaux excités formés au cours de la désin- tégration
p-
des produits de fission. L’émission de neutrons elle-même est instantanée, de sorte que le retard observé par rapport a l’émission des neutrons prompts correspond, in fine, à l’émissionp-
antérieure (la vitesse moyenne d’émission d’un neutron retardé est de l’ordre de 10 O00 km/s (500 keV).proportion de neutrons retardés par rapport aux neutrons prompts est très faible, moins de 1 %. Cependant, leur rôle est déterminant dans le contrôle du cœur d’un réacteur nucléaire.
L’énergie totale libérée par la fission se retrouve SOUS forme d’énergie cinétique dans les produits de fission, les neutrons, les rayonnements
p
et y, et I’antineu- trino. Le tableau 2.2 donne le détail de l’énergie moyenne libérée dans la fission de l’uranium 235.Tableau 2.2. Énergie libérée dans la fission de l’uranium 235.
Cette énergie, instantanément convertie en chaleur, est evacuee a l’extérieur du cœur par le réfrigérant (ou fluide caloporteur).
Elle est égale a environ 200 MeV pour la fission d’un noyau d’uranium 235.
Remarque : la fission complète d‘un gramme d’uranium 235 (ou de plutonium 239) dégage une énergie d’environ 1 M W j (1 mégawatt xjour), soit l’équivalent de la chaleur dégagée par 10 O00 ampoules électriques de 100 Watts fonction- nant pendant 24 heures. En d’autres termes, 1 gramme d‘uranium 235 équivaut énergétiquement à une tonne de pétrole.
La France a réussi, grâce a son programme nucléaire, a se doter d’un gisement virtuel qui fournirait annuellement environ 80 millions de tonnes d’un pétrole imaginaire a notre économie. Le passage au surgénérateur consommateur de plutonium rendrait ce gisement quasiment inépuisable.
La fission a un double effet sur l’environnement : - elle dégage de la chaleur,
- elle produit des substances radioactives.
L’objet de la sûreté des installations nucléaires consiste a maîtriser en toutes circonstances ces deux effets, d’une part en assurant l’évacuation de la chaleur du cœur du réacteur, et d’autre part en garantissant le confinement des substan- ces radioactives créées par la fission.
Certaines de ces substances ont une durée de vie très longue et continuent de produire de la chaleur après l’arrêt du réacteur. C’est la chaleur résiduelle.
Ainsi, un réacteur dégage-t-il de la puissance longtemps après son arrêt. À titre d’exemple, un réacteur de 900 MWe (3 O00 MW thermiques) dégage 180 MWth après une minute d’arrêt, 15 MWth après un jour et encore 2 MWth après un an soit l’équivalent de la chaleur dégagée par 2 0 O00 ampoules de 100 Watts.
Certains noyaux peuvent fissionner quelle que soit l’énergie du neutron inci- dent. Ces noyaux sont dits (< fissiles 1). Citons pour exemples l’uranium 233, l’uranium 235 ou encore de plutonium 239. D’autres noyaux requièrent une énergie minimale du neutron incident pour fissionner. On parle alors de réac- tion de fission a seuil (d’énergie). C’est le cas de l’uranium 238 et du pluto-
nium 240.
La figure 2.7 décrit de façon simplifiée le processus de fission.
O
Barrière de fission
I
Figure 2.7. Barrière de fission.
Le noyau susceptible de fissionner est prisonnier dans un (( puits b) de potentiel et il lui faut un apport d’énergie minimum (énergie d’excitation ) E,,, pour surmonter la (( barrière b) de fission (énergie Eba).
Or, dans un noyau fissile comme l’uranium 235, l’énergie d’excitation (E,,, = 6 MeV) est fournie par l’énergie de liaison du neutron absorbé (7 MeV).
La fission peut donc se faire même avec des neutrons ayant de très faibles vites- ses (neutrons dits <( thermiques », par opposition aux neutrons animés de grandes vitesses, dits (( rapides ))).
En revanche, dans le cas d’un noyau comme l’uranium 238, seulement 5 MeV d’énergie sont fournis a l’absorption d’un neutron thermique. C’est plus faible de E,
,,
, aussi le noyau d’uranium 238 ne fissionne-t-il qu’avec des neutrons ayant une énergie supérieure à 1 MeV.
Ce sont les noyaux fissiles d’uranium 235 et de plutonium 239 qui sont le plus souvent utilisés comme combustibles dans les réacteurs nucléaires.
Dans l’uranium extrait du minerai, on trouve seulement 0,7 % d’uranium 235 et 99,3 % d’uranium 238. Pour cette raison, il est généralement nécessaire d’augmenter la teneur en uranium 235 de l’uranium naturel pour l’utiliser comme combustible. L’opération correspondante s’appelle enrichissement de l’uranium naturel en isotope 235.
Par exemple, l’uranium utilise dans la majorité des centrales nucléaires françaises contient environ 3 % d’uranium 235 et 97 % d’uranium 238.
Si ces centrales fonctionnent grâce à l’uranium 235, l’uranium 238 a cependant un rôle important à jouer. En effet :
- il contribue à la production d’énergie parce qu’il fissionne avec des neutrons rapides et, surtout, parce qu’il est fertile, c’est-à-dire qu’il se transforme dans
le réacteur en fonctionnement en plutonium 239 qui, lui, est fissile comme l’uranium 235. Dans un REP, le plutonium est responsable pour un tiers de la puissance dégagée ;
- il contribue fortement a la stabilité du cœur en capturant de façon stérile (c’est- a-dire en empêchant la fission) d’autant plus de neutrons que la température du cœur est élevée (effet Doppler) ;
- c’est grâce à l’uranium 238 que certains réacteurs dits
(‘
a neutrons rapides ’>peuvent être surgénérateurs, c’est-à-dire produire plus de matière fissile qu’ils n’en consomment (voir plus bas dans le texte).
Les noyauxfertiles les plus connus sont l’uranium 238 et le thorium 232. Ils génè- rent dans le réacteur en fonctionnement, respectivement, les noyaux fissiles de plutonium 239 et d’uranium 233 par une capture radiative de neutrons suivie d’une double désintégration
p-
selon les processus suivants :( 1)
La fission provoque l’émission de neutrons prompts et de neutrons retardés.
Au total, deux ou trois neutrons sont libérés au cours d’une fission qu’un seul neutron suffit a provoquer. Ces neutrons (plus précisément certains d’entre eux) provoquent a leur tour la fission d’autres noyaux et ainsi de suite. C’est la réaction en chaîne (voir fig. 2.8).