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Le rôle de la graphite dans la modération de Neutron : une perspective historique et moderne
Le graphite est un matériau fondamental de la technologie nucléaire depuis les premières expériences de fission contrôlée. Sa capacité à ralentir, ou modérée, les neutrons rapides tout en absorbant très peu d'entre eux en fait le premier choix pour les physiciens qui se livrent à la course pour construire une réaction auto-durcissante en chaîne. Aujourd'hui, le graphite continue à apparaître dans les conceptions avancées des réacteurs, des réacteurs refroidis au gaz à haute température aux concepts modulaires de lit de galets.
Qu'est-ce que la modération neutronienne?
La fission nucléaire dans des combustibles comme l'uranium 235 libère des neutrons à haute vitesse — environ 20 000 kilomètres par seconde, ce qui équivaut à des énergies cinétiques dans la gamme méga-électron-volt. Ces neutrons rapides ne sont pas très efficaces pour causer une fission supplémentaire dans la plupart des combustibles nucléaires. La probabilité de fission (la section transversale de fission) est beaucoup plus élevée pour le lent, ou thermal, les neutrons se déplaçant à environ 2,2 kilomètres par seconde (0,025 eV). La modération neutronienne est le processus de réduction de l'énergie cinétique des neutrons rapides aux énergies thermiques par collisions élastiques et inélastiques avec un matériau modérateur.
Un modérateur idéal a une faible masse atomique (ainsi chaque collision transfère plus d'énergie), une section haute diffusion (les collisions sont donc fréquentes) et une section basse absorption (les neutrons ne sont pas captés sans usage). Il devrait également être stable sous radiation et à haute température. La graphite répond remarquablement bien à ces critères : ses atomes de carbone sont assez légers pour ralentir efficacement les neutrons (bien que pas aussi efficacement que l'hydrogène), et ses propriétés nucléaires - en particulier la section très basse d'absorption thermique de neutrons de 0,0035 granges - en font l'un des meilleurs modérateurs disponibles.
Développement historique de Graphite en tant que modérateur
L'aube de l'ère atomique : Chicago Pile-1
En 1942, sous la direction d'Enrico Fermi et de Leo Szilard, l'équipe de l'Université de Chicago a construit le premier réacteur nucléaire artificiel, Chicago Pile-1 (CP-1). Ils ont choisi le graphite comme modérateur parce que c'était le seul matériau disponible en quantité et pureté suffisantes. Le tas était constitué d'un treillis de morceaux de combustible naturel à l'uranium intégré dans un grand cube de blocs de graphite. Environ 45 000 blocs de graphite ont été empilés à la main, pesant un total de 360 tonnes.
Les performances du CP-1 étaient si satisfaisantes qu'il devint le modérateur de choix pour la prochaine génération de réacteurs de production. Le site de Hanford à Washington utilisait des réacteurs refroidis par eau et modérés par graphite pour produire du plutonium pour le projet de Manhattan. Chaque réacteur de Hanford contenait des centaines de tonnes de graphite ultrapur, usinés en blocs de forme précise et empilés avec soin pour assurer un flux uniforme de neutrons.
Réacteurs soviétiques RBMK
Le réacteur à puissance modérée en graphite le plus connu est le réacteur soviétique RBMK (Reaktor Bolshoy Moshchnosti Kanalny, ou --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
L'accident de Tchernobyl a conduit à une réévaluation approfondie des réacteurs modérés en graphite dans le monde entier. Il est toutefois important de distinguer les faiblesses spécifiques de la conception de la RBMK des propriétés inhérentes du graphite en tant que modérateur.
Magnox et réacteurs à gaz à haute performance
Au Royaume-Uni, la modération graphite a été adoptée pour la première génération de centrales nucléaires, les réacteurs Magnox, qui utilisaient du combustible naturel à l'uranium, du revêtement en alliage de magnésium et du gaz carbonique comme liquide de refroidissement. Le modérateur du graphite était essentiel pour obtenir une masse critique à l'uranium naturel, ce qui nécessite un modérateur très efficace en raison du faible enrichissement (0,7 % U-235). Plus tard, les réacteurs à gaz avancés (AGR) ont amélioré la stabilité dimensionnelle de Magnox en utilisant de l'uranium légèrement enrichi et des températures de fonctionnement plus élevées, mais ont conservé la modération graphite.
Réacteurs modernes graphites-modérés
Réacteurs à haute température à gaz (GRT)
Aujourd'hui, l'application moderne la plus importante du graphite comme modérateur est dans les réacteurs refroidis au gaz à haute température (GRT).Ces réacteurs fonctionnent à des températures allant jusqu'à 950 °C, beaucoup plus élevées que les réacteurs à eau légère classiques (environ 300 °C). Graphite est le seul modérateur pratique qui puisse résister à de telles températures sans fusion ni décomposition.
Dans les réacteurs à bancs de galets , des milliers de sphères de graphite de taille balle de tennis contiennent des particules de combustible intégrées. Le graphite agit à la fois comme modérateur et comme matrice structurelle, ralentissant les neutrons et assurant une conductivité thermique élevée. La température très élevée permet une efficacité thermique élevée (jusqu'à 48 %) et permet des applications thermiques de procédé telles que la production d'hydrogène, la gazéification du charbon et la fabrication de combustibles synthétiques.
Réacteurs modulaires avancés (RAM) et graphite
De nombreux petits réacteurs modulaires (SMR) et réacteurs avancés intègrent du graphite. Certains réacteurs à sel fondu (MRS) utilisent le graphite comme modérateur parce qu'il est chimiquement compatible avec les sels de fluorure fondus. Le graphite sert à ralentir les neutrons et fournit également des canaux pour le sel de combustible à écoulement. Ces conceptions dépendent de la haute résistance aux chocs thermiques et de la faible porosité du graphite moderne.
La graphite apparaît également dans les structures de base de certains réacteurs rapides refroidis au sodium, bien que dans ces cas elle ne soit pas un modérateur (réacteurs rapides évitent intentionnellement la modération).
Applications de réacteur de fusion
Bien que non directement modérateur de fission, le graphite est également utilisé dans la recherche sur la fusion comme matériau à plasma, notamment dans le Joint European Torus (JET) et le Réacteur expérimental thermonucléaire international (ITER), en raison de son faible nombre atomique et de sa conductivité thermique élevée.
Fabrication et propriétés du graphite de qualité nucléaire
Tous les graphite ne conviennent pas aux réacteurs nucléaires. Le graphite de qualité nucléaire doit satisfaire à des spécifications strictes : une pureté élevée (le bore et les autres impuretés absorbant les neutrons doivent être inférieures à 1 partie par million), une densité élevée (1,7–1,9 g/cm3), des propriétés mécaniques isotropes et une porosité soigneusement contrôlée. Le processus de fabrication commence par le coke de pétrole et le tai de goudron de charbon, qui sont mélangés, moulés ou extrudés, cuits à environ 1000 °C, puis graphités à des températures supérieures à 280 °C. De multiples cycles d'imprégnation avec le tai et le re-baking augmentent la densité.
Le produit final a une structure cristalline d'atomes de carbone disposés en couches hexagonales. Sous irradiation neutronique, le graphite subit des changements: d'abord, le réseau gonfle légèrement, puis se rétrécit, puis gonfle à de très fortes fluctuations.Les changements dimensionnels doivent être prédits avec précision pour assurer que le cœur du réacteur reste intact pendant sa durée de vie. L'énergie de largage — l'accumulation de défauts de réseau dus au bombardement de neutrons — peut entraîner une libération spontanée d'énergie si elle n'est pas gérée. (Le feu de l'échelle éolienne au Royaume-Uni en 1957 a été attribué en partie à la libération d'énergie de la wigner stockée pendant une opération de recuit.) Des nuances de graphite modernes sont formulées pour limiter le stockage d'énergie de la wigner.
Comparaison avec d'autres modérateurs
Le graphite est l'un des nombreux modérateurs utilisés dans les réacteurs nucléaires. Le tableau ci-dessous résume les principales différences :
| Moderator | Slowing Power | Absorption Cross-section | Max Operating Temp (°C) | Typical Reactors |
|---|---|---|---|---|
| Graphite (carbon) | 0.06 cm⁻¹ | 0.0035 barns | ~1000 (can go higher with advanced forms) | Magnox, AGR, RBMK, HTGR, MSR |
| Light water (H₂O) | 0.14 cm⁻¹ | 0.66 barns | ~300 | PWR, BWR |
| Heavy water (D₂O) | 0.11 cm⁻¹ | 0.0005 barns | ~300 | CANDU, PHWR |
| Beryllium (metal) | 0.12 cm⁻¹ | 0.009 barns | ~900 | Test/research reactors |
La graphite a la plus haute plage de température utilisable de tout modérateur solide, c'est pourquoi elle est essentielle pour les réacteurs à haute température. Sa puissance de ralentissement est inférieure à celle de l'eau ou de l'eau lourde — ce qui signifie qu'il faut plus de graphite pour obtenir la même modération — mais sa faible section d'absorption permet une meilleure économie de neutrons, surtout lorsqu'on utilise de l'uranium naturel ou légèrement enrichi.
Avantages et défis de la modération graphite
Avantages
- Haute stabilité thermique: Graphite conserve son intégrité mécanique à des températures supérieures à 1000°C, permettant un fonctionnement à haut rendement et des applications thermiques de traitement.
- Résorption faible des neutrons:[ La très petite section transversale de capture signifie que plus de neutrons sont disponibles pour la fission, ce qui permet l'utilisation de combustibles à faible enrichissement ou d'uranium naturel.
- Excellente conductivité thermique:[ Aide à dissiper la chaleur du combustible, en particulier dans les conceptions refroidies au gaz où le transfert de chaleur repose sur la convection et la conduction.
- Compatibilité chimique: La graphite est inerte à de nombreux agents de refroidissement, dont le CO2, l'hélium et les sels fondus (dans des conditions appropriées).
- Bonne relation de modulation des neutrons: La section transversale de la puissance ralentissante par rapport à l'absorption est favorable, surtout à des températures élevées.
Défis et considérations de sécurité
- Énergie de la lagune:[ Le graphite irradié peut accumuler de l'énergie stockée, qui, si elle est libérée de façon incontrôlable, peut provoquer des excursions de température.
- Oxydation:[ La graphite réagit avec de l'oxygène à haute température. Dans un accident d'entrée d'air, le noyau de graphite pourrait brûler.
- Les dommages causés par la radiation:[ Le bombardement de neutrons provoque des changements dimensionnels, des fissures et des changements de conductivité thermique.
- Impurités: Les éléments traces comme le bore, le lithium et le cadmium peuvent absorber les neutrons, réduisant ainsi la réactivité. La fabrication doit maintenir une pureté très élevée.
- Gestion des déchets:[ Après le déclassement du réacteur, il faut éliminer de grands volumes de graphite irradié (souvent des millions de tonnes). Le graphite est radioactif en raison de produits d'activation (carbone-14, chlore-36, etc.). Les options d'élimination comprennent des dépôts géologiques profonds ou une réduction de l'incinération/volume.
L'avenir du graphite dans la technologie nucléaire
Les progrès de la fabrication du graphite ouvrent de nouvelles possibilités. Les nuances de graphite isotrope, qui ont des propriétés uniformes dans tous les sens, permettent des conceptions de cœur plus précises. Des matériaux composites de graphite avec des revêtements céramiques sont étudiés pour réduire le risque d'oxydation.
Plusieurs concepts de réacteurs de la génération IV reposent sur le graphite. Le Réacteur à très haute température (VHTR), qui vise des températures de sortie supérieures à 1000°C, utilise le graphite à la fois comme modérateur et comme matériau structurel. Le Réacteur à sel fondu (MSR)[ comprend souvent un noyau modérateur de graphite. Même certains modèles réacteur rapide peuvent utiliser des réflecteurs de graphite.
La recherche sur le graphène de qualité nucléaire et les nanotubes de carbone[ pour les applications des réacteurs est en cours d'élaboration, mais possède un potentiel pour les composants ayant une résistance et des propriétés thermiques exceptionnelles.
Conclusion
De la pile de graphite de fortune dans un court de squash de Chicago aux cailloux et blocs de HTGR modernes, le graphite s'est révélé indispensable pour la modération des neutrons. Sa combinaison unique de faible absorption de neutrons, de capacité à haute température et de stabilité structurelle en fait une pierre angulaire de la technologie nucléaire. Bien que les défis tels que l'oxydation et l'énergie Wigner nécessitent une gestion soigneuse, les avantages ont entraîné des investissements continus dans les réacteurs modérés par le graphite, en particulier pour les applications à haute température.
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