Modérateurs de neutrons

Ralentir rapidement les neutrons sans les capturer

La quasi-totalité des réacteurs en fonctionnement aujourd’hui utilisent un combustible pauvre ou peu enrichi en éléments fissiles. Pour fonctionner, ces réacteurs ont besoin d’un modérateur, un milieu qui favorise les fissions.

Dans le combustible nucléaire, les noyaux fissiles d’uranium-235 et de plutonium-239 sont très minoritaires par rapport à ceux d’uranium-238 qui ne le sont pas. Il faut en compenser le faible nombre. Le modérateur en ralentissant les neutrons compense cette faible proportion. Les neutrons lents ont en effet une probabilité beaucoup plus élevée de déclencher la fission d’un noyau d’uranium-235 que d’être capturés par un noyau d’urnanium-238 stérile à ce point de vue.

Les neutrons de fission sont ralentis par des collisions successives sur les noyaux des atomes du modérateur. Il s’agit de capturer le moins de neutrons possibles lors de cette série de collisions. Le ralentissement doit être rapide pour éviter les captures stériles par des noyaux rencontrés. Il faut en moyenne, pour rendre thermique un neutron de 2 MeV , 26 collisions dans un milieu hydrogéné comme l’eau, 31 dans le deutérium, 120 dans le carbone, 2202 dans l’uranium.

L’efficacité du ralentissement dans l’hydrogène est due à ce que l’hydrogène est composé de protons qui ont pratiquement la même masse que les neutrons. L’hydrogène est le ralentisseur le plus rapide, mais il présente l’inconvénient de capturer parfois des neutrons pour former un isotope lourd de l’hydrogène, le deutérium.

Depuis que l’on utilise de l’uranium enrichi comme combustible cet inconvénient n’est plus rédhibitoire. L’eau ordinaire peut convenir comme modérateur. C’est pourquoi les réacteurs actuels de loin les plus répandus sont à eau bouillante ou pressurisée.

Les premières centrales à uranium naturel nécessitaient des modérateurs au deutérium (eau lourde) et au graphite pour fonctionner.

Le deutérium, sous forme d’eau lourde, peut servir lui-même de modérateur. Le deutérium est un peu moins « efficace » que l’hydrogène pour ralentir, mais étant déjà constitué d’un proton et d’un neutron, il capture moins les neutrons. C’est un ralentisseur idéal, dont le handicap est d’être cher (Dans la nature, cet isotope de l’hydrogène est présent à raison d’un seul atome pour 6500 atomes d’hydrogène ordinaire). Modéré avec de l’eau lourde, un réacteur arrive à fonctionner même avec de l’uranium naturel. C’est le cas des réacteurs canadiens et indiens de la filière CANDU qui utilisent de l’eau lourde comme modérateur.

La découverte et la séparation du deutérium sont dues en 1932 au chimiste américain Harold Urey. Cette année là, à la suite de longs processus de distillation et d’électrolyse fractionnée de l’eau, Harold Urey réussit à isoler l’eau lourde, variante rare de l’eau ordinaire, constituée d’oxygène et de deutérium.

Le graphite est également un modérateur performant. Le carbone est un noyau très stable peu enclin à accepter un nouveau neutron. La première pile atomique d’Enrico Fermi, qui fonctionna en 1942 durant la seconde guerre mondiale quand on ne savait pas encore enrichir l’uranium, était « modérée » au graphite. Le carbone doit être très pur, nettoyé de ses impuretés.

Les premiers réacteurs français UNGG de la filère graphite gaz et les réacteurs britanniques Magnox utilisaient le graphite comme modérateur. Les réacteurs avancés au gaz ou AGR (Advanced Gas-cooled Reactor), développés en Grande-Bretagne, utilisent aussi le graphite comme les derniers réacteurs RBMK russes restant en activité.

Les modérateurs au graphite sont volumineux. A la fin de la vie du réacteur, le modérateur est devenu faiblement radioactif du fait de la formation de carbone-14. Lors du démantèlement, les blocs de graphite sont considérés comme des déchets radioactifs de faible activité à vie longue (FAVL). Le modérateur en graphite du réacteur RBMK de Tchernobyl a été l’origine d’un dramatique incendie. Le graphite prit feu propulsant en altitude durant une semaine des particules radioactives …

Utiliser l’eau – lourde ou légère – comme modérateur présente de nombreux avantages. Non seulement elle ralentit les neutrons, elle évacue aussi la chaleur générée par les fissions. L’eau joue à la fois le rôle de modérateur et de caloporteur, pour employer le langage des techniciens de l’atome. Contrairement au graphite, elle ne générera pas ou très peu de déchets radioactifs … et elle ne prendra pas feu.