vignette|redresse=1.4|Schéma simplifié d'un RBMK. Un réacteur de grande puissance à tubes de force (russe : / Reaktor Bolshoy Moshchnosti Kanalnyi, ou RBMK — — en abrégé) est un type de réacteur nucléaire de conception soviétique, connu pour avoir été impliqué dans la catastrophe nucléaire de Tchernobyl en 1986.
Historique Ce réacteur est destiné à la production industrielle d’électricité et à la production de plutonium. Les plus puissants réacteurs RBMK (exemple : la centrale nucléaire d'Ignalina) atteignent une puissance électrique de chacun, ce qui était un record jusqu'à la mise en service du premier réacteur EPR (centrale nucléaire de Taishan).
Ce type de réacteur est connu pour être à l'origine de la catastrophe nucléaire de Tchernobyl à cause de défauts intrinsèques de conception amplifiés par les erreurs des opérateurs. Depuis, tous les autres réacteurs RBMK ont été revus et modifiés. Le dernier réacteur de la centrale nucléaire de Tchernobyl a été définitivement arrêté en . À cette époque, il existait dix-sept réacteurs de ce type. En 2005, il en restait encore douze en activité dans le monde, situés en Russie et en Lituanie (quatre à la centrale nucléaire de Koursk, quatre à la centrale nucléaire de Leningrad, trois à la centrale nucléaire de Smolensk et un à la centrale nucléaire d'Ignalina). Ceux-ci ont cependant subi des modifications, notamment au niveau des barres d'arrêt d'urgence afin de rendre ce type de réacteur plus sûr. En 2009, la Lituanie décide de fermer le dernier réacteur de la centrale d'Ignalina dans le but d'entrer dans l'Union européenne. Après la fermeture des deux plus anciens réacteurs de ce type à la centrale de Leningrad en 2018 et 2020, il en reste 7 en 2024 tous situés en Russie.
Le RBMK est l’aboutissement du programme nucléaire soviétique pour la conception d’un réacteur refroidi à l’eau légère, basé sur les modèles existants de réacteurs militaires au plutonium modérés par du graphite. Le premier de ces réacteurs, (« », Atom Mirnyi, littéralement Atome pacifique), produisait d’électricité ( thermiques) et alimenta la ville d'Obninsk entre 1954 et 1959.
Avec de l’eau légère pour liquide de refroidissement et du graphite comme modérateur, il est possible d’utiliser de l’uranium peu enrichi comme combustible nucléaire (à 1,8 % de U, contre 3 % environ pour l'uranium utilisé dans les réacteurs à eau pressurisée). Ainsi, ce réacteur ne nécessite ni enrichissement massif de l'uranium, ni d'eau lourde. Pour les militaires soviétiques, il avait aussi l’intérêt de produire d’importantes quantités de plutonium (élément utilisé dans la fabrication de certaines armes nucléaires).
Tous les RBMK ont été construits et connectés au réseau entre 1973 () et 1990 (). Ils appartiennent à trois générations ayant des caractéristiques de sûreté sensiblement différentes.
Cette technologie fait appel essentiellement à des métiers de « tuyauteurs » et la fabrication des principaux composants peut être assurée par les moyens existants à l'époque dans les usines. Les contraintes de fabrication, de montage et de transport ne sont pas de nature à limiter une augmentation de puissance des tranches. La présence de plus de primaires indépendants a été jugée à l'époque comme un gage de sûreté du réacteur (pas de grosses ruptures).
Six unités sont des RBMK de « première génération » (, et ). Elles ont été conçues et mises au point dans la première moitié des années 1970, avant l’adoption en Union soviétique des nouvelles normes de conception et de construction des réacteurs ().
Les réacteurs installés depuis la fin des années 1970 et la première moitié des années 1980 sont généralement classés comme RBMK de « deuxième génération » (, , , , ). , quant à lui, incorpore des caractéristiques de sûreté allant au-delà de celles des autres réacteurs de la deuxième génération, lesquels ont été conçus et construits conformément à des normes révisées publiées en 1982.
Après l'accident de Tchernobyl, les normes de sûreté soviétiques ont été revues une fois encore (). Le réacteur de a été construit selon ces normes de RBMK de « troisième génération ». De nouvelles modifications de conception ont été encore apportées à l'unité , qui était en construction, jusqu’à son annulation en 2012..
Conception vignette|redresse=1.4|Schéma détaillé d'un RBMK.
La conception d'un RBMK repose sur des tubes de force d'un diamètre de et d'une épaisseur de en alliage zirconium-niobium, susceptibles de résister à une température et une pression très élevées. Il y a 1661 tubes de force en tout dans le cœur. D'une longueur de , ils sont disposés verticalement dans un empilement de blocs de graphite d'une longueur de faisant office de modérateur. Le réacteur est refroidi à l’eau ordinaire pour des raisons d'économie., qui entre en ébullition à la température de dans le cœur (de façon comparable aux réacteurs à eau bouillante). Le combustible du cœur est composé de d'oxyde d'uranium légèrement enrichi à 2 % (2,6% après l'accident de Tchernobyl), sous forme de barres de et de de diamètre regroupées par deux placées l'une au-dessus de l'autre et déchargées simultanément dans chaque tube de force. La puissance spécifique dans le combustible est assez faible, le taux de combustion moyen est de par tonne.
La température de fonctionnement normale est de 650 °C.
Ce type de réacteur produit environ de plutonium par tonne d'uranium consumée. Environ 6 % de l'énergie thermique du réacteur est produite dans le graphite. Le mélange hélium-azote facilite le transfert de chaleur entre le graphite et les canaux et protège le graphite contre l'oxydation.
D'autre part, le cœur d'un réacteur RBMK est très volumineux, celui d’un réacteur à eau pressurisée. vignette|redresse|right|Dessin et vue en coupe d'une barre de combustible d'un réacteur RBMK. right|vignette|Chargement du réacteur d'Ignalina ; en arrière plan au fond, la machine de chargement-déchargement.
L'ensemble du bloc réacteur repose sur une structure mécano-soudée qui est contenue dans une cavité en béton., le diamètre du cœur mesurant 14 m pour un poids total de 1 700 tonnes.
Au-dessus du réacteur, une machine permet le chargement et déchargement du combustible de manière continue sans arrêter le réacteur. Elle comporte un circuit de refroidissement particulier. Après accostage de la machine sur la tête d'un canal de combustible, l'ensemble des deux assemblages du canal est retiré puis, après rotation d'un barillet, deux assemblages neufs sont descendus dans le canal et celui-ci est refermé, la machine va ensuite déposer les assemblages irradiés dans une piscine de désactivation.
Le contrôle du réacteur est assuré par absorbantes de neutrons faites de bore, qui occupent des tubes de force analogues à ceux qui contiennent le combustible et réparties un peu partout dans le cœur. Ces barres sont actionnées par des mécanismes situés au-dessus du cœur sous le plancher de protection du hall.
Le refroidissement du réacteur est effectué par deux boucles évacuant chacune l'énergie produite par la moitié du cœur. Chaque boucle comprend deux séparateurs de vapeur et quatre pompes de recirculation (trois en fonctionnement et une en réserve). Le mélange d'eau et de vapeur sortant de chaque tube de force arrive par une tuyauterie dans un de ces ballons séparateurs de de long et de de diamètre, dans lesquels l'eau et la vapeur sont séparées. La vapeur est envoyée à la turbine et l'eau retourne par vers les collecteurs et les pompes de re-circulation qui alimentent les tubes de force par un système de collecteurs, de sous-collecteurs et de tuyauteries. Sur chaque boucle, il y a de de diamètre. vignette|Système de circulation d'un RBMK illustrant les séparateurs de vapeur (rouge), les pompes (jaune) et le réseau de canalisations.
Un circuit de refroidissement de secours permet de refroidir le cœur en cas de brèche du circuit principal de refroidissement (rupture d'une tuyauterie du circuit de circulation, rupture d'un conduit de vapeur ou rupture d'une tuyauterie d'alimentation en eau).
Comme la modération des neutrons est essentiellement due à des éléments de graphite fixes, une augmentation de l’ébullition de l'eau présente dans le coeur se traduit par une diminution du refroidissement et de l’absorption des neutrons sans qu’il y ait inhibition de la réaction de fission dans le réacteur, d’où un coefficient de vide fortement positif. Ceci rend le système vulnérable à un accident de rétroaction positive notamment dans le fonctionnement à basse puissance comme ce fut le cas à Tchernobyl.
Les réacteurs RBMK présentent toutefois certains avantages techniques : par exemple, ils comportent une quantité d'eau environ deux fois supérieure à celle d'un réacteur à eau bouillante occidental classique, tandis que la puissance spécifique du combustible est égale à environ 75 % de celle d'un réacteur à eau pressurisée occidental. Ces éléments jouent un rôle significatif dans la montée en température progressive du combustible lors de nombreux scénarios accidentels. D'autre part le grand inventaire en eau signifie que l'enceinte de confinement et les systèmes de décharge doivent être capables de gérer davantage d'énergie stockée..
En revanche plusieurs défauts de conception ont été mis en évidence lors de l'accident nucléaire de Tchernobyl, et ont rendu nécessaires des modifications afin de rendre leur exploitation moins dangereuse.
Les défauts de conception du réacteur RBMK « Avoir plus de 1000 circuits primaires individuels accroît la sûreté du réacteur [ … ]. La sûreté des réacteurs nucléaires soviétiques est assurée par un large éventail de mesures. » Semenov, directeur adjoint de l'AIEA - Juin 1983.
L'accident de Tchernobyl a mis en évidence plusieurs défauts structurels des réacteurs RBMK..
Un système d'arrêt lent et non fiable Le premier défaut concerne la durée de descente, en cas d'arrêt d'urgence, des barres de contrôle en carbure de bore (matériau absorbant les neutrons dans le cœur du réacteur ce qui interrompt la réaction de fission). De l'ordre de 2 secondes dans les pays occidentaux, la durée de descente prévue dans la conception d'origine du réacteur RBMK est de 18 secondes. Ce système d'arrêt d'urgence de la réaction nucléaire est donc trop lent, notamment face à un emballement du réacteur.
Le second défaut concerne la conception des barres de contrôle du réacteur RBMK. Leur partie supérieure est constituée d'un matériau absorbant les neutrons, le carbure de bore, permettant d'étouffer la réaction. La partie inférieure, d'une hauteur de , est faite de graphite qui provoque un ralentissement des neutrons et donc une hausse de la réactivité. Cette partie se situe au milieu du réacteur lorsqu'une barre de contrôle est retirée du réacteur, prenant donc la place de l'eau, qui absorbe aussi les neutrons. Au début de leur insertion dans le réacteur, cette conception des barres de contrôle provoque une augmentation temporaire de la réactivité, et donc de la puissance, au fond du réacteur., pouvant provoquer un emballement sous certaines conditions.
L'absence d'enceinte de confinement Le troisième défaut des réacteur RBMK est l'absence d'une enceinte de confinement en acier et béton armé du même type que celle équipant la plupart des réacteurs occidentaux pour empêcher ou tout du moins limiter le rejet de matières radioactives.. À la place d'une enceinte, les RBMK sont équipés de plusieurs compartiments étanches destinés à assurer le confinement de différentes zones du réacteur en cas d'accident. Cependant les ruptures multiples de tubes de force comme ce fut le cas lors de l'accident de Tchernobyl, n'étaient pas couvertes par cette conception.
Il faut noter toutefois que les enceintes des réacteurs occidentaux ne sont pas calculées pour contenir une explosion et l'onde de choc de la puissance de celle qui a eu lieu à Tchernobyl, évaluée à 75 tonnes de TNT.
Un réacteur instable à basse puissance