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1 Table des matières Avant-propos Remerciements Structure générale du livre Sigles principaux Partie 1 Historique des découvertes sur les atomes et l énergie nucléaire Chapitre 1 Le long chemin vers la connaissance des atomes Introduction générale «Des atomes et des hommes» Une histoire qui commence il y a deux milliards d années De la philosophie à la physique La naissance de la théorie «atomiste» Ceux qui croyaient aux atomes et ceux qui n y croyaient pas

2 Histoire et techniques des réacteurs nucléaires et de leurs combustibles 1.3 Enfin, les atomes s expriment Des rayons inconnus mais célèbres La radioactivité et l entrée en scène de l uranium L ambre et la lumière Les explorateurs de l atome Les théoriciens balayent les idées des derniers récalcitrants L atome atomisé : il n est plus «insécable» Chapitre 2 La fission nucléaire et la réaction en chaîne La grande découverte L abstraction au service de l atome Le gros œuvre s achève Une particule bien étrange, issue de l imagination La pièce manquante Entre les deux guerres, on bombarde les noyaux atomiques Au-delà des éléments radioactifs naturels Le mystère s épaissit Quand l atome s éclate Le «sprint» vers la réaction en chaîne Les promesses d une énergie colossale Les brevets et les travaux français La «bataille de l eau lourde» Le spectre de l arme absolue Et Pandore s anima Sous les gradins d un stade de football Le nouveau monde Principaux repères chronologiques sur l histoire technique du nucléaire (jusqu à la première réaction en chaîne) Partie 2 Bases de physique nucléaire et de neutronique Chapitre 3 Éléments de physique nucléaire Les noyaux atomiques Neutrons, protons et noyaux atomiques Isotopes et éléments chimiques Isobares et isomères La radioactivité Les différentes formes de radioactivité Périodes de décroissance radioactive

3 Table des matières Activité d un noyau radioactif Les lois d évolution d un noyau radioactif issu d un autre noyau radioactif et les familles radioactives La «vallée de stabilité» Quelques exemples de noyaux atomiques radioactifs Les réactions nucléaires Généralités Les interactions entre un neutron et un noyau Les sections efficaces Définitions Section efficace microscopique Section efficace macroscopique Unité et variation globale des sections efficaces Unité de section efficace microscopique Ordres de grandeur des sections efficaces microscopiques Les résonances Conclusion sur les sections efficaces La fission nucléaire Le phénomène de fission La fission de certains noyaux : pourquoi? Les noyaux fissiles Les fragments et produits de fissions Énergie libérée par la fission Nombre de neutrons émis par fission et énergie de ces neutrons La fission en résumé Chapitre 4 Principes du fonctionnement des réacteurs nucléaires et grandeurs utilisées La réaction en chaîne Principe de base et formulation : le facteur de reproduction des neutrons Le coefficient de multiplication et la réactivité Naissance des neutrons Disparition des neutrons Coefficient de multiplication Réactivité La criticité d un milieu «multiplicateur» Taux de réaction des neutrons avec la matière

4 Histoire et techniques des réacteurs nucléaires et de leurs combustibles 4.3 Le flux neutronique Définition Interprétation du flux Expression classique du flux neutronique Ordres de grandeur Principes généraux du calcul du flux neutronique Équation de la diffusion et solution pour un groupe de neutrons Paramètres caractéristiques de la migration et du coefficient de multiplication des neutrons. Taille critique et masse critique Condition de criticité d un milieu multiplicateur de neutrons Exemple pratique d utilisation des relations liant la géométrie et la composition d un milieu multiplicateur Le ralentissement puis la thermalisation des neutrons Ralentir les neutrons : pourquoi? Ralentir les neutrons : comment? Les lois élémentaires du ralentissement des neutrons La capture des neutrons au cours de leur ralentissement Thermalisation des neutrons Bilan des neutrons dans un cœur de réacteur Formule des quatre facteurs Optimum du rapport de modération Bilan des neutrons dans un réacteur à eau pressurisée Réflecteur de neutrons et répartition de puissance dans un cœur de réacteur Rôle et nature d un réflecteur de neutrons Répartition de puissance dans un cœur de réacteur Chapitre 5 Comportement cinétique des réacteurs La vitesse de multiplication des neutrons de la réaction en chaîne Temps de vie des neutrons dans un réacteur Rythme de croissance de la population neutronique dans un réacteur surcritique Les neutrons prompts et les neutrons retardés Généralités Les précurseurs de neutrons retardés L effet des neutrons retardés sur la cinétique des réacteurs Approche simplifiée Approche explicite à UN groupe de neutrons retardés Approche explicite à six groupes de neutrons retardés

5 Table des matières Chapitre 6 Évolution du combustible dans les réacteurs nucléaires Position du problème de l évolution du combustible sous irradiation L usure du combustible sous irradiation La modélisation de l évolution des concentrations des noyaux atomiques dans un réacteur Apparition Disparition Le taux de combustion Évolution des noyaux lourds Le facteur de conversion L uranium Le plutonium Les actinides mineurs Évolution des produits de fission Aspects neutroniques généraux liés aux produits de fission Cas particulier du xénon Empoisonnement à l équilibre Surcroît d empoisonnement lors d une réduction de puissance du réacteur Instabilités spatiales liées au xénon Cas particulier du samarium Évolution des paramètres du cœur Évolution du coefficient de multiplication infini des neutrons Évolution du facteur de conversion FC Chapitre 7 Effets neutroniques liés à la température Position du problème Effet Doppler Explication physique du phénomène Aperçu sur le calcul de l effet Doppler Effet de densité (ou de dilatation) Aspects généraux Cas des réacteurs à eau pressurisée (REP) Effet de spectre Chapitre 8 La gestion du combustible en réacteur et le pilotage des cœurs Éléments généraux Principes de base de la gestion du combustible en réacteur Le contrôle de la réaction en chaîne

6 Histoire et techniques des réacteurs nucléaires et de leurs combustibles 8.2 La gestion du combustible en réacteur Les paramètres de base Optimisation de la gestion du combustible dans le cas des REP (cas des combustibles à uranium enrichi, UO 2 ) Les spécificités du combustible au plutonium dans les REP (combustible Mox) Utilisation de l uranium naturel La consommation d uranium naturel dans les réacteurs Analyse détaillée de la consommation d uranium naturel dans un REP Comparaison entre différentes filières de réacteurs La surgénération Le bilan des matières nucléaires dans les réacteurs actuels (à neutrons thermiques) Les paramètres influents Exemple des réacteurs à eau pressurisée (REP) Bilan des matières dans d autres types de réacteurs Réacteurs à eau bouillante (REB) Réacteurs à eau lourde Réacteurs à haute température (HTR) Partie 3 Les filières de réacteurs nucléaires : approche technico-historique Chapitre 9 Architecture générale des réacteurs nucléaires Introduction Les grandes catégories et l architecture générale des réacteurs nucléaires Classification des réacteurs nucléaires selon les usages Les différents moyens de récupération de l énergie nucléaire Pour toutes les puissances significatives Pour les petites puissances seulement (moteurs d engins spatiaux par exemple) Pour des applications très spécifiques, des systèmes très «exotiques» Les constituants de base d un réacteur nucléaire de puissance Les combustibles nucléaires Généralités Les différentes matières nucléaires utilisables Les combustibles à base d uranium seul

7 Table des matières Les combustibles à base de plutonium Les combustibles à base de thorium Les différentes formes physico-chimiques de matières nucléaires (constituant la matrice de combustible) Les différents gainages Les différentes géométries et structures Comportement du combustible sous irradiation La matrice de combustible La gaine de combustible Exemples illustrés de comportement du combustible sous irradiation Conclusion sur les combustibles Les fluides caloporteurs Les qualités recherchées pour un fluide caloporteur La sélection des fluides caloporteurs Les différents modérateurs Les matériaux utilisables comme modérateurs Un matériau très particulier : le graphite Comparaison des modérateurs Chapitre 10 Zoologie et genèse des différentes filières Zoologie des différents types de réacteurs Estimation théorique du nombre de types de réacteurs nucléaires possibles La «sélection naturelle» des types de réacteurs techniquement viables Les «filières» de réacteurs nucléaires Les révélations de la première conférence mondiale sur l énergie nucléaire La genèse des filières de réacteurs nucléaires aux États-Unis : perspective historique Le point de départ Les pionniers du Met-Lab de Chicago Les premières réflexions et réalisations sur les «filières de réacteurs nucléaires» A. L équipe de Chicago : berceau des idées sur les concepts de réacteurs de puissance B. Les premiers réacteurs de grande puissance au monde C. Le véritable fondement des «filières» : le New pile Committee

8 Histoire et techniques des réacteurs nucléaires et de leurs combustibles L éclosion des réacteurs à eau sous pression A. L acte de naissance B. L aventure de la propulsion nucléaire sous-marine Les réacteurs à eau bouillante A. L origine des réacteurs à eau bouillante (REB) B. Le développement industriel des réacteurs à eau bouillante Le développement des efforts et le cheminement des idées sur les réacteurs nucléaires pour les applications civiles Les développements réalisés dans les autres pays précurseurs Canada Russie (ex-urss) Grande-Bretagne France Conclusion sur les filières de réacteurs Chapitre 11 Les réacteurs modérés au graphite Quelques mots d histoire Magnox Généralités Combustible Ensemble du cœur Architecture générale Principales évolutions du concept Magnox AGR Généralités Combustible Ensemble du cœur Architecture générale Principales évolutions du concept AGR et retour d expérience de fonctionnement UNGG Généralités Combustible Ensemble du cœur L architecture générale RBMK Généralités Combustible Ensemble du cœur Architecture générale

9 Table des matières 11.6 HTR Les origines du concept Le secret des HTR Les éléments combustibles et le cœur Les spécificités des HTR Le développement des HTR et les réalisations Description et évolution des concepts Le réacteur de Fort Saint-Vrain à blocs prismatique (BP) Le réacteur THTR-300 à boulets Évolution des HTR vers de petits réacteurs Autres concepts avancés de HTR Conclusion sur les réacteurs à graphite Chapitre 12 Les réacteurs modérés à l eau lourde Éléments structurants et développement général de la filière Éléments structurants de la filière Le développement industriel des réacteurs de type Candu au Canada Les bases de conception des réacteurs de type Candu Combustible Tubes de force et tubes de calandre Modérateur Fluide caloporteur Ensemble du cœur Architecture générale Les réacteurs Candu «avancés» Les autres réacteurs à eau lourde Les REL refroidis à l eau légère pressurisée Les REL refroidis à l eau légère bouillante (BHWR : Boiling water cooled Heavy Water Reactors) Les REL refroidis au gaz (HWGCR : Heavy Water Gas Cooled Reactors) Les REL refroidis au liquide organique Les réacteurs «atypiques» à cuve Conclusion sur les réacteurs à eau lourde Chapitre 13 Les réacteurs modérés à l eau légère : analyse comparative des REP et des REB Quelques mots d introduction

10 Histoire et techniques des réacteurs nucléaires et de leurs combustibles Comparaison des caractéristiques techniques des concepts Architecture générale Le cœur et le combustible Le contrôle de la réactivité La cuve principale Les circuits du fluide caloporteur (ou «circuit primaire» pour les REP) et de production de vapeur Le confinement Exploitation Pilotage du réacteur et prolongation de cycle Gestion des matières et du combustible Maintenance et inspection Radioprotection Rejets radioactifs liquides et gazeux et déchets solides (issus de l exploitation) Disponibilité Quelques éléments de sûreté comparée La place des REP et des REB aujourd hui Bilan global de comparaison entre REP et REB Conclusion sur les réacteurs à eau légère Chapitre 14 Les réacteurs à neutrons rapides Les RNR : pourquoi? Utilisation de l Unat dans les réacteurs à neutrons lents Utilisation de l Unat dans les réacteurs à neutrons rapides Les RNR : comment? Bases neutroniques Conséquences neutroniques de l utilisation de neutrons rapides La genèse des RNR Vers la maturité industrielle des RNR États-Unis Russie (ex-union soviétique) Grande-Bretagne France Autres pays Principales caractéristiques des RNR au sodium (RNR-Na) Les particularités du cœur des RNR-Na par rapport aux REP Le combustible des RNR-Na Le cœur

11 Table des matières Grandes options et architecture générale Caractéristiques générales des RNR électrogènes passés et présents Exemple du réacteur Superphénix Les RNR du futur Conclusion sur les RNR Chapitre 15 Autres réacteurs nucléaires et réacteurs du futur Les réacteurs atypiques Les réacteurs homogènes à combustible liquide Les réacteurs hybrides Les réacteurs de propulsion navale Historique du développement et contraintes de la propulsion navale nucléaire Technologie des réacteurs embarqués (eau pressurisée) Les réacteurs pour les applications aériennes et spatiales Réacteurs pour moteurs d avions Réacteurs de propulsion de missiles Réacteurs pour les applications spatiales Propulsion de fusées envoyées dans l espace Réacteurs générateurs d énergie pour les engins spatiaux Les réacteurs du futur La niche des réacteurs de petite taille Les réacteurs de quatrième génération Partie 4 Le cycle du combustible nucléaire Chapitre 16 Le cycle du combustible standard à base d uranium Généralités sur le cycle du combustible Notions de base relatives au cycle du combustible Le combustible des différents réacteurs nucléaires Les flux de matières nucléaires Quelques fondamentaux sur la chimie de l uranium et des actinides Aperçu général du cycle du combustible en France L uranium naturel et son extraction Prospection

12 Histoire et techniques des réacteurs nucléaires et de leurs combustibles Ressources Extraction du minerai Traitement du minerai Impact et réhabilitation des sites La conversion de l uranium L enrichissement de l uranium La genèse des procédés et les technologies utilisées Comparaison des procédés utilisés majoritairement aujourd hui : la centrifugation et la diffusion gazeuse La gestion de l uranium appauvri La fabrication du combustible Le refroidissement initial des combustibles usés L option d entreposage de longue durée puis du stockage définitif des combustibles usés L option de traitement des combustibles usés Historique et panorama mondial du traitement des combustibles usés Les procédés utilisés Le procédé Purex mis en œuvre à l usine de La Hague Le recyclage des matières valorisables Le plutonium Matières autres que le plutonium Les questions génériques liées au cycle du combustible nucléaire Le transport des matières nucléaires Autres sujets génériques Conclusion Chapitre 17 Le cycle du combustible au thorium Le thorium et ses éléments lourds associés Le thorium et ses descendants naturels Les caractéristiques nucléaires du thorium Propriétés physiques du thorium Abondance et réserves terrestres du thorium L uranium Rétrospective historique L acquisition des connaissances de base L expérience accumulée sur le cycle au thorium Les stimulants et les freins au cours du développement historique du cycle au thorium État actuel du développement du cycle au thorium

13 Table des matières 17.3 Caractéristiques techniques du cycle du combustible au thorium et défis industriels L amont du cycle A. Mines : extraction et concentration B. Fabrication des combustibles au thorium Caractéristiques et comportement en réacteur des combustibles à base de thorium A. Propriétés neutroniques générales B. Comportement du combustible sous irradiation C. Gestion des matières nucléaires à partir de combustibles au thorium D. La consommation de plutonium avec des combustibles au thorium L aval du cycle A. Le traitement B. Le recyclage de l U C. L entreposage et le stockage des déchets Conclusion Conclusion générale Annexes Annexe I. Lucrèce. De la nature des choses Livres I et II (extraits) Annexe II. La découverte du neutron. Lettre de James Chadwick à la revue Nature : «Possible existence of a neutron», 17 février 1932 (p. 312) Annexe III. Traduction en anglais de l article de Hahn et Strassmann envoyé à la revue allemande Nature le 6 janvier Annexe IV. Traduction en anglais de la lettre de Meitner et Frisch envoyée à la revue allemande Nature, le 16 janvier Annexe V. Les 5 brevets d invention déposés par l équipe française en mai 1939 puis en avril et mai 1940 (copie de la première page) Annexe VI. Lettre d Einstein du 2 août 1939 au Président des États-Unis Franklin Roosevelt (traduite de l anglais) Annexe VII. Liste des prix Nobel dans les domaines de la connaissance de la matière et de la physique nucléaire (depuis la création du prix en 1901 jusqu à celui qui fut obtenu par Otto Hahn en 1944, pour sa découverte de la fission) Annexe VIII. Liste de quelques corps radioactifs importants avec leurs caractéristiques

14 Histoire et techniques des réacteurs nucléaires et de leurs combustibles Annexe IX. Notes du meeting du 26 avril 1944 ou E. Fermi présenta pour la première fois le concept de réacteur à neutrons rapides surgénérateur Annexe X. Brevet fondateur de la théorie et de la conception des réacteurs nucléaires (19/12/1944) Première page Annexe XI. Liste de tous les réacteurs du centre d Idaho (INEEL) Annexe XII. Liste de tous les réacteurs du centre ORNL Annexe XIII. Liste des réacteurs électrogènes mondiaux (au 1/1/2016) Références Index