Réacteurs nucléaires

La fission nucléaire libère beaucoup d'énergie thermique, permettant la production d'électricité à partir d'une turbine à vapeur. Le combustible nucléaire est généralement un nucléide fissile comme l'uranium 235 qui produit plus d'un neutron par fission en moyenne. Neutrons rapides libérés par la fission doivent être ralenties par les modérateurs de neutrons car ce sont les neutrons thermiques qui déclenchent le plus efficacement les réactions en chaîne dans le combustible fissile.

L'eau est un bon modérateur car les noyaux d'hydrogène et les neutrons ont des tailles comparables, ce qui garantit que les neutrons perdent une énergie cinétique importante lors de la collision. L'eau lourde est encore meilleure, car le deutérium a déjà un neutron et il est peu probable d'en absorber un autre. Les modérateurs fonctionnent également comme un réflecteur de neutron pour garder les neutrons dans le noyau dans une distribution uniforme.

Parce que la fission spontanée de l'uranium 235 ou 238 est imprévisible, une source de neutrons est installée dans un réacteur pour assurer un démarrage contrôlé de la réaction en chaîne. L'état de la réaction en chaîne est décrit par le facteur de multiplication des neutrons, k:le rapport du nombre de neutrons produit par fission en une génération au nombre de neutrons produits par fission dans la génération précédente. Lorsque k est inférieur à 1, le réacteur est sous-critique et la production d'énergie diminue.

Lorsque k est égale à 1, le réacteur est critique et la production d'énergie est constante. Lorsque k est supérieur à 1, le réacteur est supercritique et la production d'énergie augmente. La réaction en chaîne est contrôlée avec des barres de contrôle fait de matériaux absorbant les neutrons comme le bore ou cadmium.

Les barres de commande entièrement insérées en absorbent un grand nombre de neutrons, conservant le réacteur en état sous-critique. En retirant les barres de contrôle, les fissions sont de plus en plus nombreuses Le liquide de refroidissement, comme l'eau, transfère la chaleur du noyau du réacteur pour produire de la vapeur pour la turbine. Lorsque le réacteur se réchauffe, les neutrons se déplacent plus rapidement et sont moins susceptibles de provoquer des fissions, ce qui permet d'éviter la surchauffe.

Le noyau est protégé par des matériaux comme l'eau et d'épaisses couches de béton. La conception globale du noyau et la structure du conteneur dépendent les deux du type spécifique de réacteur.