Une barre de contrôle est un dispositif qui sert à absorber les neutrons afin que la réaction nucléaire en chaîne qui a lieu dans le cœur du réacteur puisse être ralentie ou arrêtée complètement en insérant davantage les barres, ou accélérée en les retirant légèrement. Essentiellement, les barres de contrôle permettent de contrôler en temps réel le processus de fission, en veillant à ce qu’il reste actif tout en l’empêchant d’accélérer de manière incontrôlée.
La fission de l’uranium 235 libère 2,5 neutrons en moyenne, mais un seul neutron est nécessaire pour maintenir la réaction en chaîne nucléaire à un rythme régulier. Les barres de contrôle absorbent ces neutrons supplémentaires et peuvent être utilisées pour ajuster la puissance du réacteur. Lorsqu’elles sont insérées de la quantité standard, leur position est à la criticité et la puissance de sortie reste la même. Si la barre est enfoncée, le nombre de neutrons diminue en même temps que la puissance de sortie et le réacteur est en dessous de la criticité. L’inverse est vrai si les barres sont légèrement tirées vers l’extérieur, car la fission va au-delà de la criticité. C’est ce que montre la figure 2.
Conception
Les barres de contrôle sont des tiges, des plaques ou des tubes contenant un matériau (comme le bore ou le hafnium) qui absorbe les neutrons. Plusieurs de ces barres de contrôle, de la taille des barres de combustible, sont espacées régulièrement et reliées à une extrémité par un support métallique appelé araignée. Les réacteurs typiques peuvent contenir une cinquantaine de ces grappes avec 20 barres de contrôle individuelles dans chaque grappe.
La capacité d’une barre de contrôle à absorber les neutrons pour contrôler la réaction en chaîne de la fission nécessite un choix de matériau ayant des capacités élevées d’absorption des neutrons. La mesure de la capacité d’un matériau à absorber les neutrons est appelée section transversale d’absorption des neutrons, ou , mesurée en barns (égale à 10-28 mètres carrés). En général, les barres de contrôle sont fabriquées à partir de cadmium, d’hafnium ou de bore enrichi.
En plus du choix du matériau, les propriétés mécaniques et le coût sont importants lors de la conception d’une barre de contrôle. Par exemple, le bore-10 est l’un des meilleurs absorbeurs de neutrons, cependant il n’est pas idéal pour construire des barres de contrôle car il est extrêmement fragile. De plus, le bore naturel doit être enrichi pour avoir des niveaux d’absorption raisonnables, ce qui devient très coûteux.
Précautions de sécurité
Les barres de contrôle sont des éléments de sécurité importants des réacteurs car elles permettent à l’utilisateur de contrôler la sortie du réacteur. Dans certains types de réacteurs, plus particulièrement les réacteurs CANDU, les barres de contrôle sont maintenues par des électroaimants. Cela signifie qu’en cas de panne de courant ou de perte de signal, les barres de contrôle sont immédiatement libérées et tombent dans le cœur du réacteur sous l’effet de la gravité. Cela empêche la réaction de fission de se poursuivre et constitue le principal système d’arrêt en cas d’urgence. Ce mouvement de chute peut également être induit manuellement si la machinerie qui maintient les barres en place présente une défaillance quelconque. Lorsque les barres de contrôle sont lâchées dans le réacteur, il s’agit d’un processus connu sous le nom de scramming. Dans les réacteurs à eau bouillante, la conception est différente car les barres de contrôle doivent être poussées vers le haut dans le réacteur puisqu’elles sont situées au fond du réacteur dans cette conception.
- Wikimedia Commons. (7 juillet 2015). Tête de la cuve du réacteur . Disponible : https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f8/Reactor_Vessel_head.jpg
- 2.0 2.1 2.2 Ian Hore-Lacy. (7 juillet 2015). L’énergie nucléaire au 21e siècle, 2e éd. Burlington, MA, U.S.A : Elsevier Inc, 2006
- Wikimedia Commons. (7 juillet 2015). Control Rods S chematic . Disponible:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Control_rods_schematic.svg#/media/File:Control_rods_schematic.svg
- Lexique du CNRC. (7 juillet 2015). Tiges de contrôle . Disponible : http://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/glossary/control-rod.html
- 5.0 5.1 5.2 James Grayson. (3 juillet 2015). Les barres de contrôle dans les réacteurs nucléaires . Disponible : http://large.stanford.edu/courses/2011/ph241/grayson1/
- Équipe du programme CANDU 6 : Unité commerciale de développement des réacteurs, Résumé technique du CANDU 6, 2005. Disponible : https://canteach.candu.org/Content%20Library/CANDU6_TechnicalSummary-s.pdf
- Énergie nucléaire. (7 juillet 2015) . Control Rods . Disponible : http://www.nuclear-power.net/nuclear-power-plant/control-rods/
.