Barre de contrôle

Figure 1. Un réacteur à eau pressurisée avec des barres de contrôle sortant de sa tête.

Une barre de contrôle est un dispositif utilisé pour absorber les neutrons de sorte que la réaction nucléaire en chaîne dans le cœur du réacteur puisse être ralentie ou arrêtée complètement par l'insértion des barres plus profondément, ou accélérée par leur léger retrait. En effet, les barres de contrôle permettent de contrôler en temps réel le processus de fission, en veillant à le maintenir actif et, en même temps, en l'empêchant d'accélérer de manière incontrôlable.

En moyenne, la fission de l'uranium 235 libère 2,5 neutrons, 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. Lorsque les barres sont insérées au niveau standard, leur position est à la criticité, et la puissance de sortie reste la même. Si les barres sont enfoncées, le nombre de neutrons diminue avec la puissance de sortie, et le réacteur se retrouve en dessous de la criticité. L'inverse se produit si les barres sont retirées, car la fission dépasse la criticité. Ceci est illustré à la figure 2.

Figure 2. Un schéma montrant comment la puissance du réacteur varie en fonction du degré d'insertion des barres de contrôle (en vert). À gauche, les barres de contrôle sont insérées plus que d'habitude, ce qui réduit la puissance du réacteur. À droite, les barres de contrôle sont insérées moins que d'habitude, ce qui augmente la puissance de sortie.

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 de l'assemblage combustible, sont espacées régulièrement et reliées à une extrémité par un support métallique appelé « araignée ». Les réacteurs typiques peuvent contenir environ 50 de ces grappes avec 20 barres de contrôle individuelles dans chaque grappe.

Le choix d'un matériau avec de grandes capacités d'absorption de neutrons est essentiel pour garantir sa fiabilité d'une barre de contrôle. La mesure de la capacité d'un matériau à absorber les neutrons est connue sous le nom de « section transversale d'absorption des neutrons », ou [math]\displaystyle{ \sigma_a }[/math], mesurée en barns (qui équivaut à 10^-28 mètres carrés). En général, les barres de contrôle sont fabriquées à partir de cadmium, de hafnium ou de bore enrichi.

Tout comme le choix du matériau, les propriétés mécaniques et le coût sont également importants lors de la conception d'une barre de contrôle. Le bore 10, par exemple, est l'un des meilleurs absorbeurs de neutrons, mais il n'est pas idéal pour la construction des barres de contrôle, car il est extrêmement fragile. En outre, le bore naturel doit être enrichi pour obtenir des niveaux d'absorption raisonnables, ce qui devient très coûteux.

Mesures de sécurité

Les barres de contrôle sont des éléments de sécurité importants, car elles permettent à l'utilisateur de régler la puissance du réacteur. Dans certains types de réacteurs, notamment les réacteurs CANDU, les barres de contrôle sont maintenues par des électro-aimants. Cela signifie qu'en cas de panne de courant ou de perte de signal, les barres de contrôle sont libérées et tombent dans le cœur du réacteur par gravité. Cela empêche la réaction de fission de se poursuivre et sert de système d'arrêt primaire en cas d'urgence. La descente peut être provoquée manuellement en cas de défaillance de la machinerie qui maintient les barres en place. Lorsque les barres de contrôle sont déposées dans le réacteur, il s'agit d'un processus connu comme scramming. La conception des réacteurs à eau bouillante est différente. Les barres de contrôle sont situées au fond du réacteur et doivent, donc, être poussées vers le haut.