Les dommages causés par les radiations à la poudre de graphite ont un impact déterminant sur les performances techniques et économiques du réacteur, notamment des réacteurs à haute température refroidis par gaz à lit de boulets. Le mécanisme de modération neutronique repose sur la diffusion élastique des neutrons par les atomes du matériau modérateur, l'énergie qu'ils transportent étant transférée à ces atomes. La poudre de graphite est également un candidat prometteur pour les matériaux destinés à la formation de plasma dans les réacteurs à fusion nucléaire. Les éditeurs de Fu Ruite présentent ci-dessous l'application de la poudre de graphite dans les essais nucléaires :
Avec l'augmentation de la fluence neutronique, la poudre de graphite se contracte d'abord, puis, après avoir atteint une faible valeur, la contraction diminue, elle retrouve sa taille initiale, avant de se dilater rapidement. Afin d'utiliser efficacement les neutrons émis par la fission, il est nécessaire de les ralentir. Les propriétés thermiques de la poudre de graphite sont obtenues par un essai d'irradiation, dont les conditions doivent être identiques à celles du fonctionnement réel du réacteur. Une autre mesure pour améliorer l'utilisation des neutrons consiste à employer des matériaux réfléchissants afin de renvoyer les neutrons s'échappant de la zone de réaction de fission nucléaire vers le cœur. Le mécanisme de réflexion des neutrons repose également sur la diffusion élastique des neutrons par les atomes des matériaux réfléchissants. Afin de limiter les pertes dues aux impuretés à un niveau acceptable, la poudre de graphite utilisée dans le réacteur doit être de pureté nucléaire.
La poudre de graphite nucléaire est une catégorie de matériaux en poudre de graphite développée au début des années 1940 pour répondre aux besoins de la construction des réacteurs à fission nucléaire. Elle est utilisée comme modérateur, réflecteur et matériau de structure dans les réacteurs de production, les réacteurs refroidis au gaz et les réacteurs à haute température refroidis au gaz. La probabilité qu'un neutron réagisse avec le noyau est appelée section efficace. La section efficace de fission de l'uranium 235 par neutrons thermiques (énergie moyenne de 0,025 eV) est deux ordres de grandeur supérieure à celle par neutrons de fission (énergie moyenne de 2 eV). Le module d'élasticité, la résistance et le coefficient de dilatation linéaire de la poudre de graphite augmentent avec la fluence neutronique, atteignent une valeur élevée, puis diminuent rapidement. Au début des années 1940, seule la poudre de graphite d'une pureté comparable était disponible à un prix abordable. C'est pourquoi tous les réacteurs, y compris les réacteurs de production ultérieurs, ont utilisé la poudre de graphite comme modérateur, marquant ainsi le début de l'ère nucléaire.
La clé de la fabrication d'une poudre de graphite isotrope réside dans l'utilisation de particules de coke présentant une bonne isotropie : coke isotrope ou coke secondaire macro-isotrope issu de coke anisotrope. La technologie du coke secondaire est actuellement la plus couramment employée. L'ampleur des dommages causés par les radiations dépend des matières premières de la poudre de graphite, du procédé de fabrication, de la fluence et du débit de fluence des neutrons rapides, de la température d'irradiation et d'autres facteurs. L'équivalent en bore de la poudre de graphite nucléaire doit être de l'ordre de 10⁻⁶.
Date de publication : 18 mai 2022