Language
Country/Area
No result found
L’arme secrète des barres de contrôle : pourquoi arrêtent-elles si rapidement les réactions nucléaires ?
Les barres de contrôle jouent un rôle essentiel dans les réacteurs nucléaires. Leur fonction principale est de réguler le taux de fission du combustible nucléaire (comme l'uranium ou le plutonium). Ces barres de contrôle sont constituées d'éléments chimiques qui sont des absorbeurs de neutrons efficaces, tels que le bore, le cadmium, l'argent, l'hafnium ou l'indium, qui peuvent absorber un grand nombre de neutrons sans se désintégrer. Les différents éléments ont des sections efficaces de capture de neutrons différentes, ce qui rend la conception des barres de contrôle étroitement liée au type de réacteur nucléaire.
Principe de fonctionnement
Les barres de contrôle sont insérées dans le cœur d'un réacteur nucléaire. En ajustant la profondeur d'insertion des barres de contrôle, on contrôle la vitesse de la réaction en chaîne nucléaire, ce qui affecte à son tour la puissance thermique du réacteur, le taux de production de vapeur et la puissance de la centrale électrique. Le nombre de barres de contrôle insérées et leur profondeur affectent grandement la réactivité du réacteur. En d'autres termes, lorsque la réactivité dépasse 1, la vitesse de la réaction nucléaire en chaîne augmente de manière exponentielle ; à l'inverse, lorsque la réactivité est inférieure à 1, elle diminue de manière exponentielle.
Avec toutes les barres de contrôle entièrement insérées, la réactivité peut être maintenue à des niveaux proches de zéro, ce qui permet de ralentir rapidement un réacteur en fonctionnement et de le maintenir à l'arrêt.
Pour maintenir une puissance de sortie stable, il faut maintenir le facteur de multiplication des neutrons moyen à long terme proche de l’unité. Lorsqu'un nouveau réacteur est assemblé, les barres de contrôle sont entièrement insérées puis progressivement retirées pour démarrer la réaction nucléaire en chaîne et augmenter la puissance jusqu'au niveau requis.
Sélection des matériaux
Le choix du matériau pour les barres de contrôle est essentiel car il doit avoir une section efficace de capture de neutrons élevée. L'argent, l'indium et le cadmium sont quelques-uns des matériaux couramment utilisés, mais d'autres éléments tels que le bore, l'aluminium, l'hafnium, le cérium, le titane, le silicium, etc. sont également considérés comme des matériaux potentiels. De plus, les barres de contrôle sont généralement constituées d'alliages ou de composés, tels que l'acier à haute teneur en bore, l'alliage argent-indium-cadmium, etc.
Les barres de contrôle, qui doivent pouvoir résister à l'expansion induite par les neutrons et posséder de bonnes propriétés mécaniques, se présentent généralement sous la forme de structures tubulaires remplies de particules ou de poudre absorbant les neutrons.
Par exemple, dans les réacteurs à eau sous pression, les alliages argent-indium-cadmium (généralement 80 % d’argent, 15 % d’indium et 5 % de cadmium) sont largement utilisés. Ces matériaux présentent des caractéristiques différentes dans le domaine de l’absorption des neutrons, ce qui fait de cet alliage un excellent milieu d’absorption des neutrons. Dans le même temps, ces matériaux doivent également empêcher la corrosion à des températures d’eau élevées.
Considérations de sécurité
Pour des raisons de sécurité, dans la plupart des conceptions de réacteurs, les barres de contrôle sont reliées aux mécanismes de levage par des dispositifs électromagnétiques. De cette façon, en cas de panne de courant, les barres de contrôle peuvent tomber automatiquement par gravité et être entièrement insérées dans le réacteur pour arrêter rapidement la réaction. Ce processus d’arrêt rapide d’un réacteur est appelé « arrêt brutal ».
Autres moyens de régulation de la réactivité
Dans certains réacteurs, la réactivité peut également être ajustée en ajoutant des absorbeurs de neutrons solubles tels que l’acide borique au liquide de refroidissement. Ce dispositif de fixation chimique, associé aux poisons neutroniques combustibles utilisés dans les particules de combustible, peut être utilisé pour ajuster la réactivité des réacteurs nucléaires sur le long terme. De plus, les opérateurs exploitant un REB effectuent un contrôle de la réactivité en ajustant la vitesse des pompes de circulation du réacteur.
Prévention des accidents critiques
La mauvaise gestion ou la défaillance des barres de contrôle est souvent imputée aux accidents nucléaires, tels que l'explosion du SL-1 et la catastrophe de Tchernobyl. Pour gérer ces crises, des absorbeurs de neutrons uniformes sont souvent utilisés. La mise en œuvre de ces méthodes est essentielle à la sûreté de l’énergie nucléaire.
Conclusion
En considérant de manière exhaustive la conception des barres de contrôle, les matériaux et la réglementation de la réactivité, nous pouvons contribuer à créer un environnement de réaction nucléaire contrôlé pour garantir l’utilisation sûre de l’énergie nucléaire. Cependant, selon vous, quelles sont les possibilités d’amélioration de la technologie nucléaire future ?
