Réacteur à eau bouillante (BWR)
Filière nucléaire à cycle direct : l'eau du cœur bout à 285 °C / 70 bar pour produire directement la vapeur qui entraîne la turbine, sans circuit secondaire. ~70 réacteurs en service (~25 % du parc mondial), principalement aux États-Unis, au Japon et en Suède.
Production d'électricité par fission ou fusion
Réaction clé
Conditions opératoires
- Température
- 285°C
- Pression
- 70bar
- Catalyseur
- Aucun (réaction nucléaire)
- Phase
- two-phase (water + steam)
Schéma de fonctionnement
Comment ça marche
Composants clés
Le rôle de chaque pièce maîtresse, et les éléments / composés qu'elle met en jeu.
Cuve sous pression du BWR
Contient le cœur, le séparateur de vapeur et le sécheur — toute la chaîne thermohydraulique tient dans une seule enveloppe.
Cuve cylindrique en acier ferritique d'environ 21 m de haut et 6 m de diamètre, plus haute qu'une cuve PWR (15 m) parce qu'elle accueille la séparation et le séchage internes de la vapeur. Pression de service 70 bar, température 285 °C. L'épaisseur de paroi (~150 mm) est moindre qu'en PWR grâce à la pression plus basse — un atout économique de la filière.
21 m × 6 m · 70 bar · 285 °C · acier ferritique
Cœur de combustible UO₂
Soutient la fission contrôlée du ²³⁵U et fait bouillir l'eau de refroidissement.
~600 à 800 assemblages de combustible (selon la taille du réacteur), chacun composé de 92 crayons d'UO₂ enrichi à 3-5 % en ²³⁵U dans une gaine en zircaloy. Les barres de contrôle (B₄C ou Ag-In-Cd) sont insérées par le bas — particularité du BWR — parce que le sommet est occupé par les séparateurs de vapeur. Le cycle de combustible dure typiquement 18 à 24 mois avant rechargement.
600-800 assemblages · UO₂ enrichi 3-5 % · gaine zircaloy
Voir aussi :uo2Séparateur et sécheur de vapeur
Sépare la vapeur des gouttelettes d'eau pour livrer une vapeur sèche à la turbine.
Au-dessus du cœur, le mélange eau/vapeur traverse d'abord ~250 cyclones (centrifugation), puis un sécheur à plaques chevronnes. La vapeur en sortie contient moins de 0,1 % d'humidité, condition nécessaire pour ne pas éroder les aubes de la turbine. L'eau séparée retombe au cœur via une chemise de descente — c'est la convection naturelle du circuit primaire.
~250 cyclones · sécheur chevronnes · humidité < 0,1 %
Pompes à jet de recirculation
Modulent le débit du cœur sans pièces mobiles à l'intérieur de la cuve.
Particularité élégante du BWR : 16 à 24 pompes à jet (sans rotor) à l'intérieur de la cuve, alimentées par 2 boucles externes de recirculation. Faire varier leur débit modifie le taux de vide en sortie de cœur, ce qui constitue un levier de régulation rapide de la puissance (sans bouger les barres de contrôle). Les BWR/4 et /6 utilisent ce principe ; les ABWR le remplacent par des pompes internes étanches (RIP).
16-24 pompes à jet · 2 boucles externes · régulation par débit
Enceinte de confinement Mark I/II/III
Confine la radioactivité en cas d'accident, avec piscine de suppression de pression.
Conception emblématique : un puits sec en forme de poire (drywell) qui héberge la cuve, relié par des tubes plongeurs à un torus partiellement rempli d'eau (wetwell). En cas de fuite de vapeur, la vapeur traverse le wetwell qui la condense — la pression interne est limitée. Le Mark I (Fukushima) est compact mais a peu de volume libre, le Mark II et III agrandissent l'enceinte. Les BWR récents (ABWR, ESBWR) utilisent une enceinte cylindrique plus simple.
Drywell + wetwell · suppression pression vapeur · Mark I/II/III · cylindrique sur Gen III+
Principes physico-chimiques
Les lois fondamentales qui rendent ce procédé possible — et les contraintes qu'elles imposent.
Cycle direct vapeur — simplicité contre radioprotection
Là où le PWR sépare le circuit primaire (radioactif, sous pression) du circuit secondaire (propre) via un générateur de vapeur, le BWR utilise une seule eau qui traverse cœur, turbine et condenseur. C'est plus simple thermohydrauliquement, moins cher en investissement initial, mais oblige à classer toute la salle des machines en zone contrôlée à cause de la radioactivité résiduelle de la vapeur (¹⁶N principalement, demi-vie 7,1 s — la radioactivité disparaît rapidement à l'arrêt).
Une seule boucle eau-vapeur · ¹⁶O(n,p)¹⁶N en cœurCoefficient de vide négatif (sécurité passive)
Plus l'eau bout dans le cœur, plus la fraction de vapeur (vide) augmente, plus la modération neutronique diminue (la vapeur est ~1000× moins dense que l'eau liquide). Moins de modération = moins de fissions thermiques = moins de puissance. Cette boucle de rétroaction est intrinsèquement stabilisatrice : un emballement local s'auto-éteint. C'est l'un des avantages clés de la filière par rapport aux réacteurs RBMK soviétiques (à coefficient positif, à l'origine de Tchernobyl).
α_void < 0 → P diminue quand fraction vapeur augmente
Composés impliqués
Réactif
Applications principales
- Production d'électricité de base95 %
- Production de chaleur industrielle (rare)5 %
Héritage Fukushima et passage au passif
- Refroidissement passif gravitaire (~72 h sans alimentation)
- Recombineurs catalytiques d'hydrogène (passive autocatalytic)
- Récupérateurs de corium (core catcher)
- Pompes internes étanches (RIP) à la place des pompes à jet (ABWR)
- BWRX-300 — SMR de 300 MWe en cycle direct simplifié
Procédés similaires ou concurrents
Procédés industriels apparentés — autre voie chimique, autre filière technologique.
- centrale-pwr
Filière concurrente dominante (~70 % du parc mondial) ; cycle indirect avec circuit secondaire séparé du cœur — turbine non radioactive.
- candu
Réacteur canadien à eau lourde et uranium naturel — pas besoin d'enrichissement, mais infrastructure plus complexe.
- molten-salt-reactor
Réacteur à sel fondu (Gen IV) : combustible dissous dans un sel liquide à pression atmosphérique, sécurité passive intrinsèque. Encore au stade démonstrateur.