Par Nick Touran, Ph.D.
Le modérateur d’un réacteur nucléaire est une substance qui ralentit les neutrons. Dans les réacteurs nucléaires traditionnels, le modérateur est la même chose que le liquide de refroidissement : c’est de l’eau! Lorsque des neutrons rapides frappent les atomes d’hydrogène de H2O, ils ralentissent beaucoup (comme une boule de billard en frappant une autre). Il existe d’autres bons modérateurs comme le graphite, le béryllium, etc.
Pourquoi modéré?
Lorsqu’un neutron entrant provoque la scission du noyau d’un atome, d’autres neutrons sont libérés à très grande vitesse. Si au moins un (en moyenne) de ces neutrons peut provoquer la scission d’un autre atome de combustible, une réaction en chaîne prolongée est possible. En fait, les atomes de combustible (comme l’uranium) sont plus susceptibles d’absorber un neutron sifflant s’il va lentement (voir Figure 1). Ainsi, de nombreuses conceptions de réacteurs utilisent des modérateurs pour faciliter la réaction en chaîne.
Figure 1 La probabilité de fractionnement d’un noyau U235 vs. l’énergie du neutron entrant. Remarquez combien la fission est plus probable pour les neutrons plus lents. Notez également l’échelle logarithmique.
Choix d’un matériau modérateur
Certains matériaux ralentissent mieux les neutrons que d’autres. Les lois de conservation de l’énergie et de l’élan expliquent qu’un neutron (masse 1) ne peut pas ralentir beaucoup après une collision avec un noyau lourd, comme un atome de carburant (masse 235). Cependant, lors d’une collision avec l’hydrogène (masse 1), un neutron peut en fait ralentir très loin. Imaginez une balle de ping-pong rebondissant sur une balle de bowling, par opposition à la même balle de ping-pong entrant en collision avec une autre balle de ping-pong. De toute évidence, la balle de ping-pong fera un meilleur travail pour ralentir les choses. Alors, quel matériau contient beaucoup d’éléments légers comme l’hydrogène et fera un bon modérateur? Le bon vieux H2O fait l’affaire, donnant le nom aux réacteurs à eau légère.
Pourquoi avoir des grumeaux de modérateur et de carburant séparés?
Vous pouvez mélanger votre modérateur et votre carburant, mais il est préférable de les séparer. Les neutrons peuvent être absorbés parasitairement par le carburant car ils ralentissent dans les réactions qui concurrencent la fission. Donc, si vous pouvez faire passer un neutron rapide dans le modérateur où il ralentira « en paix », c’est-à-dire là où il n’y a pas d’absorbeurs de neutrons puissants, puis le faire rentrer dans le carburant sous forme de neutron lent où la probabilité de fission est extrêmement élevée, il sera plus facile de faire fonctionner votre réaction en chaîne. Ce fait était nécessaire dans le premier réacteur, le CP-1, qui utilisait de l’uranium naturel car il n’y avait pas d’uranium enrichi au début des années 1940.
Qu’est-ce qu’un réacteur thermique vs. Réacteur rapide ?
Les neutrons thermiques ont des modérateurs qui permettent à de nombreux neutrons de ralentir à des énergies thermiques (c’est-à-dire la vitesse à laquelle les atomes vibrent dans les matériaux environnants en raison de leur température) alors que les réacteurs rapides n’ont pas de modérateur et leurs neutrons restent à des énergies élevées (c’est-à-dire qu’ils se déplacent rapidement).
- Réacteurs rapides
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