Fonctionnement des réacteurs à eau lourde – et pourquoi ils sont importants

Une eau plus lourde

Dans la plupart des centrales nucléaires, l'eau ordinaire remplit une double fonction : elle refroidit le cœur du réacteur et ralentit – ou « modère » – les neutrons qui entretiennent la réaction en chaîne. Mais une classe de réacteurs plus petite, mais stratégiquement importante, repose sur quelque chose de différent : l'eau lourde, une molécule dans laquelle les deux atomes d'hydrogène sont remplacés par du deutérium, un isotope d'hydrogène plus lourd portant un neutron supplémentaire. Chimiquement écrite D₂O, l'eau lourde ressemble et se comporte comme l'eau ordinaire, mais elle est environ 10 % plus dense – et, pour les ingénieurs nucléaires, beaucoup plus utile.

Pourquoi le deutérium change tout

La physique se résume à une seule propriété : l'absorption des neutrons. Lorsque les atomes d'uranium se divisent, ils libèrent des neutrons rapides qui doivent être ralentis avant de pouvoir déclencher d'autres fissions. L'eau ordinaire (« légère ») est un modérateur correct, mais elle absorbe également une part importante de ces neutrons, les gaspillant. Le deutérium ralentit les neutrons tout aussi efficacement tout en en absorbant beaucoup moins. Cette « économie de neutrons » supérieure signifie que les réacteurs à eau lourde peuvent entretenir une réaction en chaîne en utilisant de l'uranium naturel – le minerai tel qu'il sort du sol, avec seulement 0,7 % d'uranium 235 fissile – au lieu du combustible enrichi que nécessitent les réacteurs à eau légère.

Ce compromis est la caractéristique déterminante de cette technologie. L'eau lourde est coûteuse et difficile à produire, généralement séparée de l'eau ordinaire par distillation ou électrolyse, des procédés à forte intensité énergétique. Mais ce coût est compensé par l'élimination du besoin d'infrastructures d'enrichissement de l'uranium, qui sont elles-mêmes techniquement exigeantes et étroitement contrôlées.

CANDU : La conception de cheval de trait

Le réacteur à eau lourde le plus performant est le CANDU (Canada Deuterium Uranium) canadien, développé dans les années 1950 et aujourd'hui en exploitation dans sept pays, dont l'Argentine, la Corée du Sud, la Roumanie, la Chine et l'Inde. Les réacteurs CANDU utilisent de l'eau lourde pressurisée à la fois comme modérateur et comme réfrigérant, la faisant circuler dans des centaines de tubes de pression horizontaux qui contiennent chacun un faisceau de combustible d'uranium naturel.

Un avantage distinctif est le rechargement en ligne : les opérateurs de CANDU peuvent échanger les faisceaux de combustible usé contre des faisceaux neufs sans arrêter le réacteur, ce qui augmente la disponibilité. La conception accepte également une variété de types de combustible, y compris l'uranium recyclé provenant d'autres réacteurs et les combustibles à base de thorium – un domaine de recherche active en Inde, qui exploite la plus grande flotte mondiale de réacteurs à eau lourde indigènes.

L'ombre de la prolifération

La même efficacité neutronique qui rend les réacteurs à eau lourde flexibles en matière de combustible crée également un risque d'armement. Lorsque l'uranium naturel absorbe des neutrons à l'intérieur du réacteur, une partie se transforme en plutonium 239 – un matériau fissile adapté aux armes nucléaires. Si le combustible est retiré tôt et retraité, du plutonium de qualité militaire peut être extrait. L'Inde l'a démontré de manière frappante en 1974, lorsqu'elle a fait exploser un engin nucléaire en utilisant du plutonium produit dans un réacteur de recherche fourni par le Canada et modéré par de l'eau lourde fournie par les États-Unis.

Cette histoire explique pourquoi l'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) applique des garanties strictes aux transferts d'eau lourde et à la technologie de production. Le complexe d'eau lourde d'Arak en Iran, par exemple, est devenu un point central de l'accord nucléaire de 2015 précisément parce que son réacteur de recherche de 40 mégawatts prévu aurait pu produire suffisamment de plutonium pour environ une arme par an. En vertu de l'accord, l'Iran a accepté de reconcevoir le cœur du réacteur et de remplir l'original avec du béton.

Une histoire d'origine de la Seconde Guerre mondiale

L'importance stratégique de l'eau lourde a été reconnue bien avant le premier réacteur de puissance. Pendant la Seconde Guerre mondiale, l'Allemagne nazie a utilisé l'eau lourde comme modérateur pour son propre programme nucléaire, s'approvisionnant à l'usine Norsk Hydro de Vemork en Norvège occupée – alors le seul producteur industriel au monde. En février 1943, neuf commandos norvégiens ont infiltré l'usine lors de l'opération Gunnerside, détruisant l'équipement de production d'eau lourde et plus de 100 gallons de produit accumulé. Un sabotage de suivi en 1944 a coulé un ferry transportant les stocks restants de l'Allemagne. Les historiens attribuent aux raids un retard important de l'effort de fabrication de la bombe allemande.

Toujours pertinent aujourd'hui

Les réacteurs à eau lourde représentent une petite fraction du parc nucléaire mondial – environ 50 des quelque 440 réacteurs de puissance en exploitation dans le monde. Pourtant, ils restent stratégiquement importants. Leur capacité à fonctionner à l'uranium naturel séduit les pays sans capacités d'enrichissement. Leurs cycles de combustible flexibles soutiennent la recherche sur les combustibles de nouvelle génération. Et leur lien avec la production de plutonium les maintient au centre de la diplomatie de non-prolifération, de l'Iran à l'Asie du Sud.

Comprendre le fonctionnement des réacteurs à eau lourde est essentiel pour comprendre pourquoi certaines installations nucléaires attirent autant l'attention internationale – et pourquoi une molécule seulement 10 % plus lourde que l'eau ordinaire peut modifier l'équilibre de la sécurité mondiale.