Après les énergies carbonées je parlerai du nucléaire, mais en intercalant mes articles avec d'autres sujets, car il y a beaucoup à dire : réacteurs nucléaires, danger d'irradiation et de contamination, l'irradiation et la contamination naturelles, les réacteurs nucléaires, le nucléaire dans le monde, Tchernobyl et Fukushima, le réacteur EPR , les réacteurs de 4ème génération, l'énergie de fusion et le réacteur ITER, les déchets, la sûreté et la protection.

          Je pense que c’est très difficile de ne pas avoir peur du nucléaire, car on manque totalement d’informations sur ses dangers et sur la compréhension des phénomènes.
         J’avoue ne pas comprendre qu’une nation comme la France qui est engagée fortement dans la production d’électricité nucléaire, n’ait pas mis au programme de SVT (et/ou de physique) des cours sur les rayonnements nucléaires, leurs effets, les réacteurs et des notions élémentaires de compréhension.
          On ne peux à mon avis, ne pas être effrayé et lutter contre un danger, que si l’on sait en quoi il consiste
          De plus les médias (et les écologistes), qui ne se sont que très rarement renseignés sur les sujets qu'ils abordent dans ce domaine, affirment avec aplomb des absurdités et des erreurs élémentaires de physique et de biologie.

         Les dangers du nucléaire et les craintes qu'ils suscitent, c'est essentiellement ceux des réacteurs nucléaires. Il n'est donc pas possible d'en parler, si on ne fait pas le point au préalable sur le fonctionnement de ces réacteurs, et sur les différences très importantes qui existent selon les divers types de réacteurs.
          Il y a en particulier une confusion importante dans l'esprit du public entre un réacteur nucléaire et une bombe atomique.

         Aujourd'hui je décrirai le fonctionnement d'un réacteur nucléaire. et j'expliquerai demain, les différences entre plusieurs types de réacteurs, notamment au plan de la sécurité.

         La plupart d’entre vous ont dû apprendre en classe que la fission nucléaire est obtenue en bombardant avec des neutrons de l’Uranium 235 ou du Plutonium 239, qui se cassent alors en deux atomes plus légers qui sont des “produits de fission”, en produisant beaucoup d’énergie et.des rayonnements nucléaires dont en particulier d'autrees neutrons, qui peuvent participer à ré-engendrer des fissions.           
         Dans une bombe atomique, la réaction est extrêmement violente et peut créer des dégâts considérables, mais cette “explosion” n’est possible qu’en utilisant de l’Uranium 235 presque pur (à plus de 95%) et en créant des configurations particulières, car l'explosion ne peut être amorcée qu'avec une énorme concentration d'atomes, qui ne peut être créée que par une compression par de l'explosif.
         Dans la nature il n’existe qu’un minerai d’uranium 238 ne comportant que 0,7 % d’uranium 235. L’uranium 238 n’est pas fissile et il faut donc l’enrichir sur des installations de centrifugeage, que ce soit pour une utilisation militaire ou pacifique.
         Dans un réacteur nucléaire, la réaction n’est pas explosive car le mélange utilisé contient en général de l’ordre de 5% seulement d’U 235
         Un réacteur nucléaire ne peut donc en aucun cas exploser comme une bombe atomique.

                  Comment fonctionne le “coeur du réacteur” où se produit la fission :
   
         Le mélange uranium 235, uranium 238 (et parfois Plutonium dans les combustibles dits “MOX”), est placé dans des gaînes sous forme de longues barres, qui sont disposées de façon régulière dans un support et l’ensemble est appelé “coeur” du réacteur et est placé dans une enceinte étanche très solide.
         Dans les réacteurs des générations actuelles de tous les pays, l’uranium 235 va subir la fission, s’il est soumis à des neutrons peu énergétiques dits “neutrons lents”, et il émet alors des neutrons très énergiques dits “rapides” , qui sont beaucoup moins aptes à provoquer de nouvelles fissions et des rayonnements gammas (c’est pour cela qu’on met du béton autour du coeur pour les absorber) et de l’énergie sous forme de chaleur.
        Pour que la réaction s’entretienne, il faut que l’on ralentisse les neutrons rapides produits en neutrons lents, pour qu’à chaque neutron lent absorbé par le phénomène de fission, on récupère  un neutron lent à partir des neutrons rapides émis. Si on récupère moins d’un neutron, la réaction s’éteint, si on en récupère plus d’un, elle s’emballe.
       Il faut donc d’une part ralentir les neutrons, d’autre part les absorber plus ou moins afin de conserver cet équilibre de un pour un.
         Le pilotage est très complexe, mais nous pouvons en avoir une image simplifiée d’un système de barres absorbant les neutrons, barres qui s’enfoncent plus ou moins entre les barreaux de combustible. (voir schéma).
         Si les barres sont totalement enfoncées (soit volontairement, soit qu’elles retombent par gravité en cas d’incident), la réaction nucléaire est totalement arrêtée faute de neutron

         Il faut enfin par ailleurs, récupérer la chaleur produite pour en faire de l’électricité
         Cette récupération est effectuée en faisant circuler autour du cœur un fluide caloporteur, qui emmène la chaleur plus loin vers des turbines (avec toutefois des échangeurs intermédiaires pour des rasisons de sécurité). Mais ce fluide intervient aussi dans le ralentissement et l'absorption des neutrons.

                  L’importance du refroidissement du coeur

         Quand le réacteur fonctionne, il produit beaucoup de chaleur et donc le circuit caloporteur le refroidit en produisant de l’électricité.
         Mais quand le réacteur est à l’arrêt, il faut aussi le refroidir, pourquoi?
         En effet il n’y a plus de réaction de fission productrice de chaleur.
         Mais au fur et à mesure que le réacteur produit de l’électricité, l’uranium 235 se transforme en produits de fission qui sont des éléments instables radioactifs, qui émettent des rayonnements gamma et surtout des rayonnements béta (électrons).
         Les rayonnements gamma sont absorbés par l’eau et le béton qui entourent le coeur du réacteur, mais les rayonnements béta, qui réagissent fortement avec les atomes des matériaux, sont absorbés par les gaînes en se transformant en rayonnement X et en chaleur.
         La quantité de chaleur dégagée par ces produits de fission dans les gaînes est très importante et peut au moment de l’arrêt, atteindre 5% de l’énergie thermique du réacteur en marche. Elle diminue ensuite avec la radioactivité, mais elle nécessite de refroidir le coeur du réacteur pendant une dizaine de jours après l’arrêt.
         Faute de ce refroidissement le coeur du réacteur risque de fondre et donc de libérer des produits de fission dans l’enceinte qui entoure le coeur et si celle ci n’était plus étanche dans l’enceinte de confinement.
   
                  L’entretien et le vieillissement du coeur :

         Donc l’uranium 235 se transforme peu à peu en produits de fissions (plus quelques autres éléments, mais qui ne changent pas le problème).
         La teneur en uranium fissile baisse donc et au bout d’une certaine période, la teneur est insuffisante pour un bon rendement du réacteur.
         En outre le phénomène dans le coeur est  plus complexe que ce que j’explique, et la consommation en combustible n’est pas homogène et donc certains barreaux se consomment plus vite que d’autres.    
          Il faut donc remplacer les barreaux de combustible usagés.Par ailleurs il faut pouvoir entretenir et réviser périodiquement les éléments autres que le coeur.

       On dispose donc dans l’enceinte au moins d’une “piscine”, cuve profonde remplie d’eau, dans laquelle on stocke provisoirement le coeur pendant une révision et pour quelques mois ou quelques années, les barreaux usagés en attendant que le taux de radioactivité ait décru et qu’on puisse les transporter, dans des châteaux de plomb, jusqu’à une usine de retraitement du combustible et de fabrication de nouveaux barreaux;
         Cette piscine de stockage doit être refroidie également car les rayonnement béta des produits de fission sont également absorbés par les gaînes des barreau et les échauffent fortement.

             Le danger de l’hydrogène :

         Les rayonnements nucléaires provoquent la radiolyse de l’eau en hydrogène et oxygène. Dans le réacteur en marche l’eau qui circule dissout les deux gaz qui se recombinent en eau.
         Dans un réacteur à l’arrêt, les rayonnement continuent de provenir des produits de fission présents dans les barres de combustibles et si la circulation d’eau n’existe plus l’hydrogène peut se retrouver dans l’atmosphère des enceintes de confinement et constituer un risque d’explosion.
        C'est un point important pris en compte dans les incidents possibles de réacteur, mais les mesures prises à Tchernobyl étaient insuffisante, d'où l'explosion du bâtiment réacteur.

         Vous avez maintenant quelques notions sur le fonctionnement en général d'un réacteur; demain j'examinerai diverses filières de réacteurs et les différences notamment au plan sécurité.