Un réacteur à eau bouillante (REB, ou BWR pour l'anglais boiling water reactor) est un type de réacteurs nucléaires de production d'électricité. C'est le deuxième type de réacteurs le plus répandu dans le monde.
Le combustible nucléaire d'un REB est de l'oxyde d'uranium faiblement enrichi. La proportion d'isotope uranium 235, fissile, y varie de 3 à 5 % selon les pays.
Les REB sont des réacteurs à neutrons thermiques utilisant de l'eau ordinaire (dite eau légère, par opposition à l'eau lourde D2O) comme modérateur et fluide caloporteur. Contrairement aux réacteurs à eau préssurisée, les REB ne possèdent pas de séparation entre le coeur et la turbine. Ainsi, l'eau est vaporisée directement dans le coeur du réacteur (à une pression d'environ 70 bar) avant d'être injéctée dans la turbine entrainant donc le générateur et permettant ainsi la production d'électricité. Immédiatement après la turbine, le fluide sortant est condensé dans un échangeur de chaleur à l'aide d'eau de refroidissement issue d'un circuit secondaire. Cette eau provient de la source froide de la centrale (généralement la mer ou une rivière et plus rarement, l'air).
La majorité des REB sont de conception américaine ou japonaise ainsi que certains modèles allemands ou suédois. Des centrales nucléaires électrogènes utilisant des REB peuvent être trouvées aux États-Unis, au Japon, en Suède, en Finlande, en Espagne et en Suisse, notamment.
Histoire
Après la Seconde Guerre mondiale, le Congrès des États-Unis vote l'"Atomic Energy Act" créant une nouvelle agence gouvernementale, la Commission de l'énergie atomique des États-Unis (en anglais « United States Atomic Energy Commission (AEC) ») chargée de développer les utilisations militaires et civiles de l'atome. La première production expérimentale d'électricité d'origine nucléaire est obtenue le avec le réacteur à neutrons rapides EBR-lEBR-1 est l'acronyme de « Experimental Breeder Reactor-I », construit par le laboratoire national de l'Idaho. Le réacteur produit ce jour-là suffisamment de puissance électrique pour allumer quatre ampoules, puis tout le bâtiment le jour suivant..
Le président des États-Unis Eisenhower prononce à l'Assemblée générale des Nations unies le son discours « Atoms for peace » (« Des Atomes pour la paix »), dans lequel il plaide pour le développement de l’utilisation de l’énergie nucléaire à des fins civiles, et plus particulièrement pour la production d'électricité.. Il ouvre ainsi la voie au développement de l'énergie nucléaire civile aux États-Unis, et également dans le monde entier.
Sous la direction de l’amiral Hyman Rickover, les États-Unis développent le réacteur à eau pressurisée (REP) pour l’utilisation dans la marine (en particulier les sous-marins). Le REP utilise comme combustible un oxyde d'uranium enrichi et est modéré et refroidi par de l'eau ordinaire. La construction du prototype de réacteur naval Mark 1 est engagée en dans l'Idaho, et le premier sous-marin à propulsion nucléaire, le USS Nautilus, est lancé en 1954. En 1959, les États-Unis et l'URSS lancent simultanément leur premier navire de surface à propulsion nucléaire. L’expérience de l’utilisation du réacteur Mark 1 dans la marine conduit la Commission de l'énergie atomique des États-Unis à autoriser Westinghouse à construire le réacteur de démonstration de Shippingport en Pennsylvanie, d’une puissance de , inauguré en 1957 et exploité jusqu'en 1982 ..
Parallèlement à Westinghouse, l’industriel General Electric, avec l’appui de deux laboratoires de recherche, le Knolls Atomic Power Laboratory et l'Argonne National Laboratory, se prépare aussi à entrer dans cette nouvelle industrie avec un nouveau type de réacteur, le réacteur à eau bouillante. Un réacteur de démonstration, Vallecitos, est construit en 1956 et mis en service en 1957. Même si Westinghouse avait l’appui du gouvernement américain, c’est bien l’usine de Vallecitos qui reçoit la première licence d’exploitation commerciale..
Descriptif et fonctionnement Description générale du réacteur à eau bouillante Un réacteur à eau bouillante est un réacteur à neutrons thermiques où l'eau circulant dans le cœur assure à la fois les fonctions de fluide caloporteur et de modérateur. Le contrôle neutronique du cœur est uniquement assuré par des barres de contrôle en carbure de bore. L'eau de refroidissement est partiellement vaporisée dans le cœur. Comme pour le réacteur à eau pressurisée, cette eau circule sous pression, mais à une pression inférieure, de 70 à 80 bars contre de 155 à 160 bars..
Premier type : deux circuits avec un générateur de vapeur Le premier type de REB produit dans les années 1960, le BRW-1, s’appuyait sur le principe d’un cycle dual de Rankine. La vapeur produite dans le cœur était séparée dans un ballon de vapeur pour être turbinée. L'eau à saturation du ballon passait par la suite dans un générateur de vapeur qui, dans sa partie secondaire, utilisait de la vapeur à une pression légèrement inférieure à la pression primaire. En sortie de turbine, après condensation, l'eau était redirigée vers la cuve et le secondaire du générateur de vapeur. Une vanne de régulation du débit vapeur du circuit secondaire permettait de réguler la turbine en fonction de la puissance neutronique.
Deuxième type : circuit unique avec séparation de la vapeur en cuve et recirculation de l'eau saturée À partir du modèle BRW-2, le circuit vapeur a été simplifié pour que ne soit turbinée que la vapeur produite. La cuve a ainsi été modifiée pour permettre la recirculation de l'eau non évaporée en sortie du cœur par l'introduction de séparateurs, de sécheurs et d'un espace annulaire permettant le mélange du débit de recirculation avec l'eau alimentaire. Afin d'améliorer le débit dans le cœur, un circuit prélève une partie de l'eau pour la réinjecter dans une sorte de tuyère appelée éjecteur (jet-pump). Ce principe permet un accroissement important du débit primaire tout en ne prélevant, dans l'espace annulaire qu'une partie du débit d'eau (environ 30 %).
Ainsi, comme le figure le schéma ci-contre, à la différence du réacteur à eau pressurisée, le réacteur à eau bouillante n'a qu'un seul circuit d'eau alimentaire et de vapeur produite après évaporation dans la cuve. L'eau et la vapeur en circulation peuvent être appelées « primaires » en ce sens que le fluide en question a traversé le cœur pour en extraire la chaleur produite.
L'eau alimentaire extraite du condenseur est pompée à la pression de la cuve via les pompes alimentaires principales et admise dans celle-ci en périphérie du panier support du cœur. Elle se trouve mélangée et réchauffée par un débit important d'eau saturée provenant de la séparation de l'émulsion vapeur- eau produite dans le cœur.
En sortie du cœur le mélange eau-vapeur est séparé de façon statique gravitaire et par centrifugation. La vapeur produite est dirigée vers les collecteurs de vapeur et les turbines en aval, l'eau saturée est quant à elle recirculée pour être mélangée à l'eau alimentaire plus froide.
Le mélange d'eau sous saturé (eau alimentaire froide et eau de recirculation saturée) descend le long de la paroi de cuve où il est repris au travers de boucles primaires externes à la cuve par des pompes primaires pour être dirigé dans le cœur et traverse ensuite le cœur où la chaleur produite est extraite provoquant un réchauffage à saturation et une évaporation.
En fonctionnement à pleine puissance, le débit massique d'eau et de vapeur en ébullition passant dans le cœur est typiquement 7 fois supérieur au débit nominal de vapeur produite.
Ainsi, d'un point de vue strictement fonctionnel en vue de la génération de vapeur, la cuve et le cœur du REB sont très similaires à une chaudière classique à recirculation forcée.
Troisième type : circuit unique avec recirculation par pompe à rotor noyé Par la suite les quatre boucles de recirculation ont été remplacées par des pompes à rotor noyé implantées directement sur la cuve en partie inférieure de celle-ci. C'est le principe du S90 du groupe suédois ABB Atom qui a été repris pour l’ABWR (Advanced boiling water reactor) de General Electric et le projet Kerena (ex SWR 1000) du groupe Areva NP.
Cette modification : simplifie la cuve ; minimise le nombre de circuits et donc la taille de l'enceinte ; réduit le risque de rupture de tuyauteries primaires ; limite l'irradiation gamma.
Quatrième type : circuit unique sans pompe de recirculation General Electric ainsi qu'Energatom (Russie) proposent également des réacteurs dont la circulation dans la cuve est entièrement en convection naturelle: l'ESBWR de GE le BWRX-300 de GE ainsi que le VK 300 russe
Le cœur et le combustible Les pastilles Le combustible nucléaire utilisé dans le cœur d'un REB est de l'oxyde d’uranium. Les taux d'enrichissement utilisés dans les REB sont les mêmes au que ceux utilisés dans les REP.
Le dioxyde d'uranium servant de combustible est conditionné sous forme de pastilles en céramique très résistantes à la chaleur (plus de ). Leur fabrication comporte plusieurs étapes. Le matériau d’origine, l’hexafluorure d'uranium, est chauffé dans un four rotatif en présence de vapeur d’eau et d’hydrogène et ainsi transformé en oxyde d’uranium UO et du fluorure d'hydrogène HF. Puis de l’octaoxyde de triuranium (résultant de l’oxydation d’UO) est ajouté pour faciliter la formation de pores. Le résultat est réduit sous forme de poudre à laquelle on ajoute un lubrifiant (du stéarate de zinc) pour faciliter le pastillage qui est obtenu ensuite par pressage dans des matrices. Les pastilles sont cylindriques de hauteur et de diamètre . Elles sont ensuite cuites dans un four par un procédé dit de frittage, à , sous atmosphère réductrice avec hydrogène, usinées pour ajuster leur forme et faciliter l’introduction dans les gaines et enfin contrôlées.
Les crayons Les pastilles de combustible sont disposées dans un tube d'environ de long, contenant un empilement d'environ 360 pastilles, formant ce que l’on appelle un crayon. La gaine entourant les pastilles et constituant l’enveloppe du crayon est en alliage de zirconium. L’intérêt de ce matériau est de résister à des hautes températures et à un environnement très corrosif et de ne pas absorber les neutrons..
Le Zircaloy-2 (Zy-2) a principalement été utilisé pour les réacteurs à eau bouillante. Il est composé de 97,5 % en masse de zirconium additionné d'étain (1,2 à 1,7 %), de fer (0,7 à 0,2 %), de chrome (0,05 à 0,15 %), de nickel (0,03 à 0,08 %), d’oxygène (0,09 à 0,16 %) et de silice (0,005 à 0,012 ). Il contient également des impuretés en très faibles quantités, comme de l’aluminium, du bore, du cadmium, du carbone, du cobalt ou du hafnium .. Les dépôts de hafnium (< 0,01 %) doivent dans la mesure du possible être enlevés en raison de leur fort taux d’absorption des neutrons. La composition exacte dépend en fait des fabricants...
L’alliage est livré par les producteurs sous forme d’éponge de zirconium. Celle-ci est transformée par chauffage dans un four à arc électrique en lingots qui par forgeage, traitement thermique et trempe sont ensuite façonnés sous forme de billettes cylindriques de de diamètre. Pour être transformée en tube, la barre subit un filage à chaud, un laminage à froid et un traitement de recuit. Le tube de gaine est obtenu ensuite par un laminage de précision pour atteindre les dimensions requises : de diamètre extérieur et d’épaisseur. La Compagnie européenne du zirconium (Cezus), filiale d'AREVA, est leader mondial sur le marché de la fabrication de gainages en alliage de zirconium des tubes des assemblages combustibles ..