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Les chercheurs du MEPhI (Institut d'ingénierie physique de Moscou) de l'Université nationale de recherche nucléaire ont étudié la possibilité d'utiliser du molybdène isotopiquement modifié en tant qu'alternative aux alliages de zirconium qui servent à fabriquer des éléments de combustible.

Cette variante permettrait d'accroître la sécurité des réacteurs nucléaires. Les résultats de l'étude ont été publiés dans le magazine Chemical Engineering Research and Design.

Le combustible nucléaire se distingue foncièrement des autres combustibles utilisés par l'homme en raison de l'extrême risque qu'il représente et de sa complexité d'exploitation. Il est utilisé dans les réacteurs nucléaires sous la forme de capsules de dioxyde d'uranium (UO2) de quelques centimètres qui sont placées dans les éléments de combustible hermétiques.

Des exigences spécifiques s'appliquent aux parois des éléments de combustible: ils doivent posséder une bonne résistance corrosive, thermique et érosive, ainsi que ne pas affecter la faculté d'absorption des neutrons dans le réacteur.

A l'heure actuelle, le principal matériau utilisé dans la plupart des centrales nucléaires commerciales en Russie pour la paroi des éléments de combustible est l'alliage de zirconium, qui présente une bonne résistance à la corrosion dans l'eau et à la basse section de capture neutronique thermique (il s'agit de la propriété du matériau qui caractérise la probabilité d'interaction de la particule élémentaire (neutron) avec le noyau nucléaire). Plus la section de capture est basse, moins la probabilité d'impact des neutrons sur les propriétés du matériau à partir duquel sont fabriqués les éléments de combustible est grande.

Cependant, il s'est avéré que les alliages de zirconium possédaient également des inconvénients significatifs. En particulier, ces alliages réagissent activement avec l'eau et génèrent de la chaleur, produisant de l'hydrogène et accélérant la dégradation du revêtement des barres de combustible. Un tel phénomène survient suite à la réaction du zirconium sous vapeur à une température supérieure à 700°C, ce qui est extrêmement dangereux en cas d'accident dans les centrales nucléaires dotées d'un refroidissement à eau — c'est justement ce facteur qui a été annoncé comme la principale raison des explosions à la centrale nucléaire japonaise de Fukushima.

C'est pourquoi les scientifiques évoquent depuis longtemps une solution pour remplacer les alliages de zirconium par du métal réfractaire molybdène. Tout comme le zirconium, il possède une bonne résistance à la corrosion tout en ayant une thermo-conductibilité supérieure à celle du zirconium.

Toutefois, l'usage du molybdène s'accompagne également de certaines difficultés. Cela conduit notamment à la nécessité d'accroître le niveau d'enrichissement de l'uranium, ce qui faire augmenter significativement le coût du processus.

Il est possible d'y remédier en remplaçant la composition naturelle des isotopes de molybdène sur la cascade des centrifugeuses de gaz, plus précisément en éliminant les sept autres isotopes et en laissant un seul isotope, le plus lourd (Mo-100), dont la section de capture neutronique coïncide pratiquement avec la section de capture du zirconium.

Grâce à la technologie centrifugeuse de séparation isotopique, il est également possible de modifier le mélange d'isotopes du molybdène de manière à ce que sa section de capture soit proche ou même inférieure à celle du zirconium.

"L'étude menée a permis d'obtenir toutes les informations nécessaires pour concevoir un dispositif de séparation pour une vaste production de molybdène isotopiquement modifié à base de la technologie russe de séparation des isotopes de non-uranium sur les centrifugeuses à gaz", constate le professeur de la chaire de physique moléculaire du MEPhI Valentin Borissevitch.

Les chercheurs ont comparé l'efficacité de plusieurs systèmes en cascade de séparation des isotopes de molybdène avec différentes exigences par rapport à la section de capture neutronique dans le produit obtenu. L'étude a été réalisée avec le soutien du Fonds russe de recherches fondamentales dans le cadre de la coopération du MEPhI avec la faculté d'ingénierie physique de l'université de Xinhua (Pékin).

Les résultats ont montré que le système de séparation le plus efficace pourrait être mis en place à l'aide d'une cascade rectangulaire sectionnaire simple ou d'une double cascade — cela dépend de la signification donnée à la section de la capture neutronique dans le molybdène isotopiquement modifié obtenu.

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Tags:
matériaux, chercheurs, Université nationale de recherche nucléaire (MEPhI), Russie
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