13. Eau lourde et énergie nucléaire de fission
p. 184-185
Texte intégral
1Découvert en 1931 juste avant le neutron*, le deutérium (noté D ou 2H) est le premier isotope* lourd de l'hydrogène (1H), le second étant le tritium (T ou 3H). Dans l'eau naturelle, il est présent sous forme d'HDO surtout (une molécule pour 3 200 d'H2O environ). L'eau est dite lourde lorsqu'elle contient une proportion non négligeable d’oxyde de deutérium D2O. Un procédé d'échange H/D entre de l'eau H2O/HDO et un gaz H2S/HDS permet d'atteindre une teneur en D2O de 20 %. Cette dernière est, pour obtenir une qualité dite nucléaire, augmentée jusqu'à 99.8 % par distillation* sous vide. De l'eau lourde d'une telle pureté ne devient toxique qu'après plusieurs jours d'ingestion, lorsqu'elle remplace plus de 20 % de l'eau dans l'organisme. L'eau lourde commence alors à bloquer le mécanisme de régénération des tissus, affectant d'abord les cellules à renouvellement rapide. Certaines algues et bactéries peuvent néanmoins vivre dans de l’eau lourde pure et sont utilisées pour produire un large panel de molécules « deutérées ». Un autre type d'incident, le seul vraiment possible, est celui d'une contamination par ingestion d'eau lourde irradiée, à forte teneur en tritium radioactif* (cf. II.3).

Fig. 1 – Affiche du film de 1948 sur la « bataille de l'eau lourde », désignant plusieurs opérations militaires menées entre 1942 et 1944 contre la production d'eau lourde nazie en Norvège
Modération des neutrons de fission et eau lourde
2Contrairement à la fusion* nécessitant des températures très élevées, atteintes dans les étoiles, pour vaincre la répulsion électrostatique*, la fission* induite par neutron est facile d'accès sur Terre. Il y a environ 2 milliards d'années, des réacteurs naturels ont ainsi pu atteindre la criticité* dans des gisements d'uranium au Gabon. Le minerai d'uranium naturel jouait le rôle du combustible, avec une teneur fissile* plus élevée à l'époque (environ 3 %) qu'actuellement. L'eau présente dans le gisement jouait le rôle du modérateur, c'est-à-dire du milieu constitué de noyaux légers ralentissant les neutrons de fission par diffusion élastique. La criticité est obtenue si une proportion assez élevée de neutrons est ralentie par le modérateur jusqu'à leur valeur minimale d'énergie cinétique* dite « thermique », à laquelle leur probabilité d'induire une fission dans le combustible est maximale. Du fait de la section efficace* d'absorption non négligeable de l'hydrogène, la teneur fissile actuelle de l'uranium naturel (0,7 %) est trop faible pour permettre la criticité avec de l'eau légère comme modérateur. Seuls le graphite et l'eau lourde, avec des sections efficaces d'absorption très faibles peuvent convenir. Ceci explique le rôle stratégique joué par l'eau lourde dès la Seconde Guerre mondiale (figure 1). En témoignent l'achat au début de 1940 du stock mondial en Norvège puis son évacuation quelques mois plus tard vers l’Angleterre par l'équipe de Frédéric Joliot-Curie. Son inconvénient majeur est de diffuser peu et de devoir par conséquent être utilisée en quantité importante pour ralentir efficacement les neutrons. Les cœurs modérés à l'eau lourde exploités actuellement, dans les réacteurs de type CANDU (CANadian, Deuterium oxide, natural Uranium), sont pour cette raison très volumineux.
Le CANDU, modéré et refroidi à l'eau lourde
3Le cœur d'un CANDU (figure 2) est un gros réservoir modérateur d'eau lourde. Il est traversé de plusieurs centaines de tubes horizontaux contenant chacun un faisceau de crayons de combustible, constitués de pastilles d’oxyde d’uranium naturel et refroidis par une circulation forcée d'eau lourde sous pression. Avec une puissance thermique de 2 050 MW et un volume de 200 m3 environ, sa puissance volumique dépasse à peine 10 W/cm3. Son architecture en tubes de pression permet de recharger « en ligne », sans s’arrêter, le combustible qui s’épuise rapidement. Cela lui confère un excellent niveau de conversion : le plutonium 239 fissile consommé est en grande partie remplacé, par capture neutronique sur l'uranium 238 dit « fertile ». L'association du CANDU avec un combustible alternatif basé sur le thorium plutôt que l’uranium permet même d’atteindre la régénération, c’est-à-dire de maintenir constante la quantité de matière fissile en cœur. Cette performance de haute conversion constitue une des améliorations à apporter en priorité au nucléaire de fission, de façon à limiter l'épuisement des réserves de combustible. La régénération de la ressource fissile en CANDU, réacteur à spectre thermique, est d’autant plus remarquable qu’elle est la chasse gardée des réacteurs innovants dits « de quatrième génération », conçus autour de la contrainte technologique forte d'une absence de modérateur. Le spectre rapide ainsi préservé est favorable à la conversion et permet de maintenir la criticité plus longtemps entre deux rechargements, mais impose en contrepartie un chargement fissile important.

Fig. 2 – Structures simplifiées d'un cœur de CANDU-6 et d'une cuve de REP-900, représentées à la même échelle. © canteach.candu.org
Le REP et les perspectives des réacteurs à eau
4La partie droite de la figure 2 représente la cuve entière d'un REP (Réacteur à Eau sous Pression), dont le cœur ne fait que 4 m de haut pour une puissance volumique élevée de 100 W/cm3. Au prix d'un enrichissement du combustible imposé par l'absorption de l'hydrogène, l'eau légère (H2O) est un modérateur qui rend le cœur assez compact pour être refroidi dans une cuve entièrement sous pression. C'est d'ailleurs la recherche de compacité pour la propulsion navale (en particulier des sous-marins) qui est à l'origine du concept de REP dans les années 1950. La criticité est maintenue entre deux rechargements en diminuant progressivement la concentration d'un absorbant neutronique soluble, l’acide borique. Outre une chimie de l'eau assez complexe, ce mode de gestion du cœur dégrade la conversion. Avec un combustible basé sur le thorium, la régénération est ainsi inaccessible en REP standard et réclame une forte sous-modération, c’est-à-dire un moins bon ralentissement des neutrons de façon à faciliter leur capture fertile. Une première méthode est de réduire la proportion d'eau légère, mais aussi la puissance volumique pour éviter son ébullition. Une autre solution est de remplacer l'eau légère par de l'eau lourde, ce qui revient à sous-modérer tout en conservant le même pouvoir d'extraction de la chaleur. Voilà qui illustre le rôle important que peut jouer l'eau lourde dans la voie prometteuse, en cours d'exploration, des réacteurs à eau et haute conversion.
Bibliographie
Des DOI sont automatiquement ajoutés aux références bibliographiques par Bilbo, l’outil d’annotation bibliographique d’OpenEdition. Ces références bibliographiques peuvent être téléchargées dans les formats APA, Chicago et MLA.
Format
- APA
- Chicago
- MLA
Références bibliographiques
10.1051/978-2-7598-0160-2 :• P. REUSS – L'épopée de l'énergie nucléaire : une histoire scientifique et industrielle, EDP Sciences, 2007.
• H. NIFENECKER – Le nucléaire, un choix raisonnable ? EDP Sciences, 2011.
• C. JEANDEL et R. MOSSERI (coll.) – L’énergie à découvert, CNRS Éditions, 2013.
• A. NUTTIN – Physique des réacteurs à eau lourde ou légère en cycle thorium, LPSC-12-143, 2012.
Auteur
-
Alexis Nuttin
Physicien, Enseignant-chercheur à l’École nationale supérieure de physique, électronique et matériaux, LPSC, Grenoble, p. 184.
nuttin@lpsc.in2p3.fr
Le texte seul est utilisable sous licence Licence OpenEdition Books. Les autres éléments (illustrations, fichiers annexes importés) sont « Tous droits réservés », sauf mention contraire.
L'archéologie à découvert
Hommes, objets, espaces et temporalités
Sophie A. de Beaune et Henri-Paul Francfort (dir.)
2012
