Bonjour à tous,
Dernièrement, j’ai recherché les applications des matériaux dans le domaine du nucléaire, en partie pour des raisons professionnelles, mais aussi en suivant un intêret personel. Le résultat est que presque tous les éléments ont une utilité ou une autre. Du coup, une série de billet pour chaque élément pourrait être sympa. Peut-être. À voir.
Que ce soit intéressant ou non, commençons par le premier : l’hydrogène.
- L'hydrogène en physique des réacteurs
- L'ion d'hydrogène chargé positivement
- Teneur en hydrogène de la gaine
- Et dans le combustible ?
L'hydrogène en physique des réacteurs
Dans un réacteur nucléaire conventionnel (réacteur à eau légère, qui représente l’écrasante majorité des réacteurs commerciaux en activité. Dans la plupart des cas, l’eau est sous pression pour éviter la formation de vapeur), les neutrons doivent être refroidis pour pouvoir alimenter la réaction en chaîne qui produit de l’énergie. Par "refroidis", on veut dire qu’ils doivent céder une grande partie de leur énergie. Le mécanisme principal pour le faire est la collision avec d’autres atomes. Imaginez un billard : la balle blanche ralentit après en avoir touché une autre. Pareil pour les neutrons.
Ce ralentissement est d’autant plus prononcé que l’atome cible est léger. On ne va pas faire toute la démonstration, mais c’est pour cette raison que les neutrons sont thermalisés par de l’eau (avec donc plein d’hydrogène, de l’eau lourde, avec encore plus d’hydrogène, ou du graphite, avec plein de carbone, qui lui non plus n’est pas très lourd).
L'ion d'hydrogène chargé positivement
Oui, les plus attentifs auront percuté, le titre décrit un proton. L’atome d’hydrogène, c’est un proton et un électron. Et les protons, ils sont partout !
Teneur en hydrogène de la gaine
La gaine du combustible, qui a pour but de l’isoler du reste du réacteur, est faite à partir d’un alliage de zirconium. C’est un métal, ce qui est pratique, puisque du coup on peut le déformer un peu si il faut. Mais si on rajoute de l’hydrogène dedans, le matériau devient fragile. Du coup, toutes les autorités de sûreté du monde ont décidé qu’on ne pouvait pas opérer le réacteur si on a plus qu’une valeur limite d’hydrogène dans cette gaine. Et cette valeur limite n’est pas très haute ! Selon les pays, elle varie entre 500 parts par millions (ppm) et 1000 ppm.
Mais bon, normalement, l’hydrogène, on n’en met pas dans la gaine en la fabriquant (rarement plus de 20 ppm tout au moins). D’où vient-il ? Et bien de l’eau ! Au contact de la gaine, les molécules d’eau se dissocient. On récupère de l’hydrogène dans la gaine, et un oxide de zirconium (dont on ne veut pas non plus, on en reparlera quand j’en serai à l’oxygène).
Et dans le combustible ?
Et bien dans le combustible, en général, c’est moins un problème. Dès le prochain billet sur l’hélium, ce sera une toute autre histoire. Mais ça pourrait changer si on change de combustible. Il a été démontré récemment, par un groupe venant de la République Tchèque, que les siliçures d’uranium (U3Si2) absorbent gouluement les atomes d’hydrogène, et gonflent au passage !
Je m’arrête ici. Bien sûr, il est possible de trouver d’autres effets et utilisation de l’hydrogène, mais le but de cette série de billets est plutôt de montrer que le monde du nucléaire est extrêmement complexe, et que tous les éléments ou presque y sont importants.