thumb|Cœur du réacteur miniature Crocus de puissance nulle à l'EPFL (Suisse).
Un réacteur nucléaire est un équipement industriel comprenant du combustible nucléaire, qui constitue son « cœur », dans lequel une réaction en chaîne peut être amorcée et contrôlée par des agents humains ou par des systèmes automatiques, suivant des protocoles et au moyen de dispositifs propres à la fission nucléaire.
L'installation peut avoir des finalités diverses : production d'isotopes radioactifs à usage civil ou militaire, production de chaleur utilisable directement ou convertie en énergie électrique dans une centrale nucléaire.
Principe À part quelques réacteurs de recherche spécifiques dédiés à la fusion nucléaire, tous les réacteurs nucléaires utilisent la fission nucléaire comme principe de fonctionnement..
Dans le cœur d'un réacteur nucléaire, sous l'effet d'une collision avec un neutron, le noyau atomique de certains gros atomes, dits fissiles, peut se casser en deux (il fissionne), en libérant une grande quantité de chaleur et en produisant deux ou trois neutrons, chacun étant capable de produire une nouvelle fission lors d'une collision avec un autre atome (créant potentiellement une réaction en chaîne).
La matière fissile qui constitue le cœur des réacteurs est de l’uranium enrichi ou du plutonium encapsulé dans des crayons regroupés en assemblages de combustible nucléaire, de l'uranium fortement enrichi (dans les sous-marins nucléaires), de l'uranium faiblement enrichi (par exemple dans les réacteurs RBMK) ou de l'uranium naturel (par exemple dans les réacteurs CANDU et UNGG). Ces réacteurs sont industriels, civils ou militaires, ou destinés à la recherche nucléaire.
Par ailleurs, des preuves géochimiques témoignent de l'existence, il y a environ deux milliards d'années, d'un réacteur naturel (le seul connu à ce jour) : le réacteur nucléaire naturel d'Oklo, au Gabon ; une concentration naturelle de métaux radioactifs a permis d'y atteindre la criticité et d'engendrer une réaction en chaîne.
Applications
Les applications des réacteurs nucléaires comprennent essentiellement : la production d'énergie sous forme de chaleur, qui alimente un usage tel qu'une production de vapeur pour obtenir un travail mécanique ( la propulsion nucléaire navale), une production d'électricité, une production d'eau douce par dessalementVoir centrale nucléaire. ; la production d'isotopes radioactifs à usage militaire (bombe atomique) pour le plutonium ou à usage civil en médecine nucléaire tel l'Iode 123 pour les scintigraphies ; la production de neutrons libres ou de rayonnements, utilisés dans les réacteurs de recherche ou pour la radiothérapie.
Production d'électricité Les centrales nucléaires modernes fournissent une puissance électrique de l'ordre de 500 à par réacteur, avec un facteur de charge d'environ 75 %. En 1990, une centrale nucléaire fournissait une puissance électrique moyenne de par réacteur, valeur passée à en 2015. Les centrales nucléaires françaises sont passées de par réacteur pour Fessenheim à pour Civaux ; chacun des deux réacteurs EPR mis en service à Taishan (Chine) a une puissance de ().
Histoire thumb|right|Réacteur nucléaire en Pologne. Le premier réacteur nucléaire est construit aux États-Unis en 1942, à l'Université de Chicago, par Enrico Fermi et Leó Szilárd. Il est constitué d’un empilement de six tonnes d’uranium métallique, d’oxyde d'uranium et de graphite, c'est pourquoi il porte le nom de pile atomique. Sa puissance n'est que de , mais sa divergence permit de conforter la théorie sur les mécanismes de fission ; ce réacteur servit aussi d'installation pilote pour réaliser les réacteurs destinés à la production du plutonium nécessaire à la bombe atomique développée dans le cadre du projet Manhattan. Depuis les années 1950, de nombreux réacteurs nucléaires fonctionnent dans le monde sur le principe de la fission nucléaire pour produire de l'électricité. Pendant ces 50 dernières années, différentes technologies et filières de réacteurs civils ont été développées.
Parallèlement, des recherches portent sur des réacteurs qui fonctionneraient sur le principe de la fusion nucléaire. Il existe dans le monde deux grands axes de recherche : la fusion par confinement magnétique dans un Tokamak (notamment, le projet international ITER) ; la fusion par confinement inertiel.
URSS
Côté soviétique, les premiers réacteurs ont été construits pour produire du plutonium militaire. En 1954, la centrale nucléaire d'Obninsk fournit de l'électricité avec une puissance de . Elle peut être considérée comme le premier réacteur électronucléaire au monde, car le premier conçu dans une optique électrogène. Ce réacteur prototype est à l'origine de la filière RBMK. Son exploitation durera 48 ans. C'est un réacteur RBMK-1000 qui a provoqué la catastrophe nucléaire de Tchernobyl.
France
Le premier réacteur d’essai français a été construit par Lew Kowarski, Frédéric Joliot-Curie et Jules Horowitz au centre d’études de Fontenay-aux-Roses (Hauts-de-Seine) du Commissariat à l'énergie atomique (CEA). Cette pile atomique, dénommée la pile Zoé, lança son premier processus de réaction nucléaire en chaîne en 1948. Ce réacteur avait pour but de placer la France dans le peloton des puissances nucléaires en fabriquant du plutonium pour la bombe atomique.
En 1956, le réacteur G1 est démarré au centre de recherche du CEA de Marcoule : il s'agit du premier réacteur français à produire non seulement du plutonium mais aussi de l'électricité. Il initiait alors la filière française Uranium naturel graphite gaz (UNGG). Celle-ci sera vite remplacée par la technologie d'origine américaine des réacteurs à eau pressurisée (REP), utilisée par Framatome pour construire (contre neuf réacteurs UNGG, dont le premier a été arrêté en 1968 et le dernier en 1994).
Fonctionnement d'un réacteur vignette|Réacteur de recherche PULSTAR de en Caroline-du-Nord (États-Unis). vignette|Salle de contrôle du réacteur PULSTAR. Un réacteur nucléaire comprend toujours au moins un cœur où se déroule la réaction de fission nucléaire, des réflecteurs et des moyens de contrôle de la réaction, le tout maintenu dans une cuve métallique ou un caisson béton qui joue généralement le rôle d'enceinte de confinement..
Fission nucléaire
Les noyaux atomiques très lourds tels que l'uranium ou le plutonium contiennent énormément de nucléons, et sont naturellement instables. Si l'un de ces atomes très lourd (par exemple l' ou le ) capture un neutron, il se transforme en un noyau encore plus instable (U ou Pu), et récupère par la même occasion de l'énergie.
Le noyau résultant se divise très rapidement : il fissionne en se divisant en deux noyaux principaux et en libérant plusieurs neutrons supplémentaires, libres. Ces neutrons supplémentaires sont disponibles pour d'autres fissions de noyau : c'est le principe de la réaction en chaîne.
La différence d'énergie de liaison est partiellement transformée en énergie cinétique des produits de fission. Ceux-ci donnent cette énergie sous forme de chaleur par des chocs sur le matériau environnant. Cette chaleur est évacuée à l'aide d'un réfrigérant et peut, par exemple, être utilisée pour le chauffage ou la production d'électricité.
Les nouveaux noyaux issus de la division sont appelés produits de fission. Ils présentent généralement un excès de neutrons, et tendent à être radioactifs avec une . Quand cette radioactivité β a été exprimée, ils possèdent globalement une énergie de liaison plus importante par nucléon que les anciens atomes lourds — et donc sont plus stables.
Neutrons thermiques et modérateur
Plus un neutron est lent, plus la probabilité qu'il soit capté par un atome U est grande. C'est pourquoi l'on ralentit les neutrons rapides provenant de la réaction de fission par un modérateur. Un modérateur est un matériau qui contient de nombreux noyaux atomiques très légers, presque aussi légers qu'un neutron. Les neutrons sont alors ralentis par les chocs sur ces noyaux atomiques légers jusqu'à la vitesse de ces noyaux du modérateur. Selon la théorie du mouvement brownien, la vitesse des noyaux du modérateur est définie par sa température. On parle donc de thermalisation des neutrons plutôt que de ralentissement des neutrons. Contrairement à ce qu'évoque le terme « modérateur », celui-ci facilite et donc accélère la réaction.
Un réacteur qui utilise pour la fission des neutrons qui n'ont pas été ralentis est appelé réacteur à neutrons rapides.
Pilotage de la réaction en chaîne vignette|Cuve d’un réacteur à eau bouillante (réacteur ABWR).1 : cœur du réacteur 2 : barres de contrôle 3 : pompe de circulation interne 4 : sortie de vapeur vers la turbine 5 : entrée d'eau pour refroidir le cœur.
Le pilotage d'un réacteur nucléaire repose sur le maintien d'une masse critique de combustible nucléaire au cœur du réacteur. Pour favoriser la fission, on effectue une thermalisation des neutrons à l'aide d'un modérateur. Et pour évacuer l'énergie thermique produite par la réaction en chaîne, on utilise un fluide caloporteur. Dans le cas d'un réacteur REP, l'eau sert à la fois de caloporteur et de modérateur.
Pour que la réaction en chaîne ne s'amplifie pas indéfiniment, elle doit être pilotée. Pour cela, on utilise un matériau absorbant les neutrons, par exemple le cadmium, le gadolinium ou le bore. À partir de ces éléments ou de leurs composés ( le BC), on fabrique les barres de contrôle du réacteur nucléaire, qui sont progressivement introduites ou retirées dans le cœur du réacteur selon les besoins. La réaction en chaîne est entretenue selon le principe suivant : en entourant le matériau fissile d'un réflecteur de neutrons, on favorise la fission, ce qui diminue la quantité nécessaire au déclenchement de la réaction ; en revanche, la présence d'un absorbeur de neutrons a l'effet contraire.
La description du comportement du cœur s'appuie sur la neutronique. Le paramètre le plus important d'un réacteur est sa réactivité, elle s'exprime en « pour cent mille » (pcm) et permet de contrôler qu'un réacteur ne réalise pas d'empoisonnement au xénon.
Le xénon et le samarium sont des éléments produits par décroissance radioactive de deux des principaux produits de fission émis par la désintégration des noyaux fissiles : l'iode et le prométhium. Ils sont présents à partir du moment où il y a une réaction nucléaire. Le xénon et le samarium sont fortement absorbeurs des neutrons, on dit qu'ils empoisonnent le cœur car leur présence tend à étouffer la réaction en chaîne. En outre, après arrêt du réacteur, l'iode et le prométhium présents dans le cœur continuent de se désintégrer, augmentant la quantité de xénon et de samarium présents dans le cœur, et donc l'empoisonnement du réacteur. Le pilotage du réacteur doit contrôler les effets de ces poisons, notamment lors des variations de puissance. Les variations de l'anti-réactivité apportée par le xénon et le samarium sont alors suivies avec intérêt car elles provoquent un déséquilibre axial de flux et, parfois, on peut observer un déséquilibre azimutal du flux nucléaire.
En considérant que la charge de combustible est cylindrique, que les grappes de contrôle manœuvrent verticalement du haut vers le bas et que le caloporteur s'échauffe en remontant le long des crayons combustibles on peut « imager » ces déséquilibres :