Un opérateur de réacteur nucléaire peut-il appuyer sur le bouton qui "fait boum" ?

Le contrôle de la puissance d’un réacteur nucléaire

Dans un réacteur nucléaire, l’énergie est libérée par des réactions de fissions : sous l’action d’un neutron, un atome est cassé en différents morceaux (fragments de fission), produisant de l’énergie et des neutrons qui pour certains (mais pas tous) produiront de nouvelles fissions. La réaction en chaîne est maîtrisée pour maintenir un rythme de fissions constant de façon que sur les deux ou trois neutrons libérés lors d’une fission, seul l’un d’entre eux en provoque une nouvelle, les autres étant capturés.

Un équilibre doit être atteint : une fission donne une fission, qui donne une fission, qui donne une fission, … et non pas une fission donne deux fissions qui donnent quatre fissions, qui donnent huit fissions…

Tout écart par rapport à cet équilibre pourrait conduire à une élévation exponentielle de la puissance.

Cet équilibre est caractérisé par la réactivité, ρ, qui est définie par ρ = k-1, où k est le facteur de multiplication, c’est-à-dire le nombre de nouvelles fissions engendrées par une fission. A l’équilibre k=1, une fission par fission, et donc ρ=0. La réactivité, toujours très proche de zéro, est chiffrée en pcm (partie pour cent mille)

Si cet effet exponentiel est volontairement recherché dans la conception d’une bombe atomique, la question ne se pose pas absolument de la même façon dans un réacteur qui bénéficie de 3 points forts pour le contrôle de la réaction :

- le phénomène naturel associé à l’existence des neutrons retardés, qui introduit un délai dans les réactions

- la conception du cœur favorisant les contre réactions s’opposant à la montée de puissance

- les dispositifs de surveillance contrôle avertissant l’opérateur, puis conduisant à l’arrêt automatique en cas d’écart.

Les neutrons retardés et le contrôle temporel de la réaction

Si la fission émet instantanément des neutrons (neutrons prompts) une fraction des neutrons émis le sont avec en retard par décroissance radioactive des produits de fission ( neutrons retardés)

Les phénomènes exponentiels qui s’enchaînent sur des millièmes de seconde pour une bombe, se déroulent en réacteur sur des minutes ( par exemple pour une réactivité positive ρ de 100 pcm, déjà importante, le flux et donc la puissance ne variera que de 1 % par minute)

On voit immédiatement que nous sommes passés d’un système incontrôlable par sa rapidité, à un système lent et parfaitement contrôlable.

Les contre réactions et la limitation de la réaction en chaîne

La multiplication des neutrons dans un milieu devenu critique (production supérieure aux absorptions) se ferait sans limite de puissance, même lentement, s’il n’existait des phénomènes de contre réaction :on s’arrange pour qu’à toute perturbation, vienne s’opposer une réaction inverse qui limite son effet.

Par exemple quand le flux neutronique augmente la puissance thermique dégagée augmente et donc également les températures. Les cœurs de réacteurs occidentaux sont conçus de façon à avoir un coefficient de température négatif : la montée en température agit comme un poison en absorbant plus de neutrons

Davantage de neutrons sont donc capturés ou s’échappent du cœur et donc ils sont moins nombreux pour de nouvelles fissions.

Notre système s’oppose naturellement aux montées de puissance.

Les moyens de contrôle de puissance

Si donc naturellement toute tendance à une variation de puissance est lente et se trouve fortement atténuée par ces contre réactions négatives, ceci ne suffirait pas à ajuster naturellement un niveau de puissance choisi.

Il faut donc prévoir des moyens complémentaires d’ajustement et de contrôle.

Ceci sera obtenu en introduisant plus ou moins un matériau absorbant les neutrons dans le cœur au milieu des assemblages combustibles et en contrôlant ainsi la population de neutrons (lorsque tous les neutrons sont absorbés, il n’y a plus de réaction).

Les matériaux absorbants utilisés (carbure de bore ou alliage Ag, In, Cd) sont introduits par les

mécanismes des barres de commande mus électriquement ou en cas d’arrêt d’urgence par la seule action de la pesanteur.

Cet arrêt d’urgence permet un arrêt quasi instantané de la puissance neutronique (ordre de grandeur la seconde).

La surveillance et les arrêts automatiques

Des anomalies, incidents peuvent conduire à sortir des conditions normales de fonctionnement.

Ces anomalies peuvent provenir de défauts internes (exemple déclenchement d’une pompe, déclenchement du groupe turbo alternateur) elles peuvent aussi provenir de défauts externes ( défaut réseau électrique, séisme …) et aussi d’actions incorrectes des exploitants ( erreur humaine).

Des surveillances sont réalisées, soit directement à la source (par exemple déclenchement pompe ou détection séisme …), soit indirectement par leurs conséquences sur les paramètres physiques (exemple : puissance trop élevée, sous refroidissement, température trop élevée …)

L’étude des incidents probables et accidents potentiels et hypothétiques a conduit à définir les systèmes de protection du réacteur et permis de déterminer le point de réglage des différents seuils de sécurité (alarmes puis arrêt d’urgence).

Les paramètres d’exploitation (pression, température, flux neutronique, activité, débit...) sont ainsi mesurés en permanence à l’aide de capteurs et comparés à des valeurs seuils. Chaque paramètre est suivi par plusieurs chaînes de mesure indépendantes ( souvent 3) de façon à assurer la fiabilité de la mesure et de la chaîne de traitement automatique ( exemple logique 2/3).

En cas de dépassement des critères prédéfinis, les automatismes de la centrale détectent le phénomène et déclenchent une alarme en salle de commande afin que les opérateurs soient informés de l’événement, analysent la situation et prennent les dispositions de conduite

Si les actions consécutives à l’alarme ne ramènent pas les paramètres dans la zone de fonctionnement autorisée, un arrêt automatique par insertion des barres de contrôle dans le cœur va, indépendamment de l’opérateur, ramener l’installation dans un état d’arrêt sûr.

Illustration : un exemple d’incident

La centrale est au voisinage du régime nominal dit 100 % (qui n’est pas la puissance maximale admissible par le réacteur).

L’opérateur en voulant ajuster la puissance, va en commandant une remontée de barres monter la puissance au-delà de ce régime de référence.

Le phénomène est lent, amorti par les contre réactions thermiques et se déroule sur plusieurs minutes.

La situation est sans danger et l’opérateur devrait de lui même corriger avant qu’une, puis plusieurs alarmes ne l’avertissent.

Sur la base de ces alarmes et avec l’appui éventuel des systèmes d’aide à l’exploitation, l’opérateur cette fois ci averti, sera directement engagé dans les actions de correction

Si celles-ci ne suffisent pas, et que le phénomène s’amplifie légèrement, les seuils d’arrêt automatique seront atteints et la centrale sera arrêtée.