Voir aussi: physique des réacteurs nucléaires, fission nucléaire et eau lourde

cette section ne cite aucune source. Veuillez aider à améliorer cette section en ajoutant des citations à des sources fiables. Le matériel non approvisionné peut être contesté et retiré., (Mai 2015) (savoir comment et quand Supprimer ce modèle de message)

la clé pour maintenir une réaction nucléaire en chaîne dans un réacteur nucléaire est d’utiliser, en moyenne, exactement l’un des neutrons libérés par chaque événement de fission nucléaire pour stimuler un autre événement de fission nucléaire (dans un autre noyau fissible). Avec une conception minutieuse de la géométrie du réacteur et un contrôle minutieux des substances présentes afin d’influencer la réactivité, une réaction en chaîne auto-entretenue ou « criticité » peut être obtenue et maintenue.,

l’uranium naturel est constitué d’un mélange de divers isotopes, principalement le 238U et une quantité beaucoup plus petite (environ 0,72% en poids) de 235U. le 238U ne peut être fissionné que par des neutrons relativement énergétiques, environ 1 MeV ou plus. Aucune quantité de 238U ne peut être rendue « critique » car elle aura tendance à absorber plus de neutrons que ce qu’elle libère par le processus de fission. 235U, d’autre part, peut soutenir une réaction en chaîne auto-soutenue, mais en raison de la faible abondance naturelle de 235U, l’uranium naturel ne peut pas atteindre la criticité par lui-même.,

l’astuce pour atteindre la criticité en utilisant uniquement de l’uranium naturel ou faiblement enrichi, pour lequel il n’y a pas de masse critique « nue », est de ralentir les neutrons émis (sans les absorber) au point où suffisamment d’entre eux peuvent provoquer une fission nucléaire supplémentaire dans la petite quantité de 235U disponible. (238U qui est la majeure partie de l’uranium naturel est également fissible avec des neutrons rapides.) Cela nécessite l’utilisation d’un modérateur de neutrons, qui absorbe pratiquement toute l’énergie cinétique des neutrons, les ralentissant au point qu’ils atteignent l’équilibre thermique avec le matériau environnant., Il s’est avéré bénéfique pour l’économie neutronique de séparer physiquement le processus de modération de l’énergie neutronique du combustible d’uranium lui-même, car le 238U a une forte probabilité d’absorber des neutrons avec des niveaux d’énergie cinétique intermédiaires, une réaction connue sous le nom d’absorption par « résonance ». C’est une raison fondamentale pour concevoir des réacteurs avec des segments de combustible solide séparés, entourés par le modérateur, plutôt que toute géométrie qui donnerait un mélange homogène de combustible et de modérateur.,

L’eau est un excellent modérateur; les atomes ordinaires d’hydrogène ou de protium dans les molécules d’eau sont très proches en masse d’un seul neutron, et leurs collisions entraînent donc un transfert de moment très efficace, similaire conceptuellement à la collision de deux boules de billard. Cependant, en plus d’être un bon modérateur, l’eau ordinaire est également très efficace pour absorber les neutrons., Ainsi, l’utilisation de l’eau ordinaire comme modérateur absorbera facilement tant de neutrons qu’il en reste trop peu pour soutenir une réaction en chaîne avec les petits noyaux isolés de 235U dans le combustible, excluant ainsi la criticité de l’uranium naturel. Pour cette raison, un réacteur à eau légère nécessitera que l’isotope 235U soit concentré dans son combustible d’uranium, sous forme d’uranium enrichi, généralement entre 3% et 5% 235U en poids (le sous-produit de ce procédé d’enrichissement est connu sous le nom d’uranium appauvri, et donc constitué principalement de 238U, chimiquement pur)., Le degré d’enrichissement nécessaire pour atteindre la criticité avec un modérateur eau-lumière dépend de la géométrie exacte et d’autres paramètres de conception du réacteur.

une complication de cette approche est la nécessité d’installations d’enrichissement de l’uranium, qui sont généralement coûteuses à construire et à exploiter. Ils présentent également un problème de prolifération nucléaire; les mêmes systèmes utilisés pour enrichir le 235U peuvent également être utilisés pour produire des matières beaucoup plus « pures » de qualité militaire (90% ou plus de 235U), adaptées à la production d’une arme nucléaire., Il ne s’agit en aucun cas d’un exercice trivial, mais suffisamment réalisable pour que les installations d’enrichissement présentent un risque important de prolifération nucléaire.

Une solution alternative au problème consiste à utiliser un modérateur qui n’absorbe pas les neutrons aussi facilement que l’eau. Dans ce cas, potentiellement tous les neutrons libérés peuvent être modérés et utilisés dans des réactions avec le 235U, auquel cas il y a suffisamment de 235U dans l’uranium naturel pour maintenir la criticité. Un tel modérateur est l’eau lourde, ou oxyde de deutérium., Bien qu’il réagisse dynamiquement avec les neutrons d’une manière similaire à l’eau légère (bien qu’avec moins de transfert d’énergie en moyenne, étant donné que l’hydrogène lourd, ou deutérium, est environ deux fois la masse de l’hydrogène), il a déjà le neutron supplémentaire que l’eau légère aurait normalement tendance à absorber.