Les éléments chimiques présentant des sections efficaces de capture des neutrons comprennent l’argent, l’indium et le cadmium. D’autres éléments candidats comprennent le bore, le cobalt, l’hafnium, le samarium, l’europium, le gadolinium, le terbium, le dysprosium, l’holmium, l’erbium, le thulium, l’ytterbium et le lutécium. Des alliages ou composés peuvent également être utilisés, tels que l’acier à haute teneur en bore, l’alliage argent-indium-cadmium, le carbure de bore, le diborure de zirconium, le diborure de titane, le diborure d’hafnium, le nitrate de gadolinium, le titanate de gadolinium, le titanate de dysprosium et le composite carbure de bore-hexaborure d’europium.
Le choix des matériaux est influencé par l’énergie neutronique du réacteur, leur résistance au gonflement induit par les neutrons et les propriétés mécaniques et de durée de vie requises. Les barres peuvent avoir la forme de tubes remplis de pastilles ou de poudre absorbant les neutrons. Les tubes peuvent être en acier inoxydable ou en d’autres matériaux « fenêtre neutronique » tels que le zirconium, le chrome, le carbure de silicium ou le 11
B15
N cubique (nitrure de bore cubique).
La combustion des isotopes « poison consommable » limite également la durée de vie d’une barre de contrôle. On peut les réduire en utilisant un élément tel que l’hafnium, un » poison non brûlable » qui capte plusieurs neutrons avant de perdre son efficacité, ou en n’utilisant pas d’absorbeurs de neutrons pour l’ébarbage. Par exemple, dans les réacteurs à lit de galets ou dans d’éventuels nouveaux types de réacteurs modérés et refroidis au lithium-7 qui utilisent du combustible et des galets absorbeurs.
Certains éléments de terres rares sont d’excellents absorbeurs de neutrons et sont moins rares que l’argent (réserves d’environ 500 000t). Par exemple, l’ytterbium (réserves d’environ 1 M tonnes) et l’yttrium, 400 fois plus commun, avec des valeurs de capture moyennes, peuvent être trouvés et utilisés ensemble sans séparation à l’intérieur de minéraux comme le xénotime (Yb) (Yb0.40Y0.27Lu0.12Er0.12Dy0.05Tm0.04Ho0.01)PO4, ou la keiviite (Yb) (Yb1.43Lu0.23Er0.17Tm0.08Y0.05Dy0.03Ho0.02)2Si2O7, ce qui en réduit le coût. Le xénon est également un puissant absorbeur de neutrons en tant que gaz, et peut être utilisé pour contrôler et arrêter (en cas d’urgence) les réacteurs refroidis à l’hélium, mais ne fonctionne pas en cas de perte de pression, ou comme gaz de protection contre la combustion avec l’argon autour de la partie de la cuve, en particulier dans le cas des réacteurs à capture du cœur ou s’ils sont remplis de sodium ou de lithium. Le xénon produit par fission peut être utilisé après avoir attendu que le césium précipite, lorsqu’il ne reste pratiquement plus de radioactivité. Le cobalt-59 est également utilisé comme absorbeur pour gagner du cobalt-60 pour la production de rayons X. Les barres de contrôle peuvent également être construites comme des barres épaisses tournantes avec un réflecteur en tungstène et un côté absorbeur tourné jusqu’à l’arrêt par un ressort en moins d’une seconde.
Les alliages argent-indium-cadmium, généralement 80% Ag, 15% In, et 5% Cd, sont un matériau commun des barres de contrôle pour les réacteurs à eau pressurisée. Les régions d’absorption d’énergie quelque peu différentes des matériaux font de l’alliage un excellent absorbeur de neutrons. Il présente une bonne résistance mécanique et peut être facilement fabriqué. Il doit être enveloppé d’acier inoxydable pour éviter la corrosion dans l’eau chaude. Bien que l’indium soit moins rare que l’argent, il est plus cher.
Le bore est un autre absorbeur de neutrons courant. En raison des sections transversales différentes de 10B et 11B, les matériaux contenant du bore enrichi en 10B par séparation isotopique sont fréquemment utilisés. Le large spectre d’absorption du bore permet également de l’utiliser comme bouclier neutronique. Les propriétés mécaniques du bore sous sa forme élémentaire ne sont pas adaptées, et il faut donc utiliser des alliages ou des composés à la place. Les choix courants sont l’acier à haute teneur en bore et le carbure de bore. Ce dernier est utilisé comme matériau de barre de contrôle dans les REP et les REB. La séparation 10B/11B se fait commercialement avec des centrifugeuses à gaz sur BF3, mais peut aussi se faire sur BH3 provenant de la production de borane ou directement avec une centrifugeuse de fusion à énergie optimisée, en utilisant la chaleur du bore fraîchement séparé pour le préchauffage.
Le hafnium a d’excellentes propriétés pour les réacteurs utilisant l’eau à la fois pour la modération et le refroidissement. Il présente une bonne résistance mécanique, peut être facilement fabriqué et résiste à la corrosion dans l’eau chaude. Le hafnium peut être allié à d’autres éléments, par exemple à l’étain et à l’oxygène pour augmenter la résistance à la traction et au fluage, au fer, au chrome et au niobium pour la résistance à la corrosion, et au molybdène pour la résistance à l’usure, la dureté et l’usinabilité. Ces alliages sont appelés Hafaloy, Hafaloy-M, Hafaloy-N et Hafaloy-NM. Le coût élevé et la faible disponibilité du hafnium limitent son utilisation dans les réacteurs civils, bien qu’il soit utilisé dans certains réacteurs de l’US Navy. Le carbure d’hafnium peut également être utilisé comme matériau insoluble avec un point de fusion élevé de 3890 °C et une densité supérieure à celle du dioxyde d’uranium pour couler, non fondu, à travers le corium.
Le titanate de dysprosium était en cours d’évaluation pour les barres de contrôle à eau pressurisée. Le titanate de dysprosium est un remplacement prometteur des alliages Ag-In-Cd car il a un point de fusion beaucoup plus élevé, n’a pas tendance à réagir avec les matériaux de gainage, est facile à produire, ne produit pas de déchets radioactifs, ne gonfle pas et ne dégaze pas. Il a été développé en Russie et est recommandé par certains pour les réacteurs VVER et RBMK. Un inconvénient est une absorption moindre du titane et des oxydes, que les autres éléments absorbant les neutrons ne réagissent pas avec les matériaux de gainage à point de fusion déjà élevé et que le simple fait d’utiliser le contenu non séparé avec du dysprosium à l’intérieur de minéraux comme Keiviit Yb à l’intérieur de tubes en chrome, SiC ou c11B15N fournit un prix et une absorption supérieurs sans gonflement et dégazage.
Le diborure d’hafnium est un autre matériau de ce type. Il peut être utilisé seul ou dans un mélange fritté de poudres de hafnium et de carbure de bore.
De nombreux autres composés d’éléments de terres rares peuvent être utilisés, tels que le samarium avec l’europium de type bore et le borure de samarium, qui est déjà utilisé dans l’industrie des couleurs. Des composés de bore moins absorbants, semblables au titane, mais peu coûteux, comme le molybdène sous la forme de Mo2B5. Comme ils gonflent tous avec le bore, dans la pratique, d’autres composés sont préférables, comme les carbures, etc. ou des composés avec deux ou plusieurs éléments absorbant les neutrons ensemble. Il est important de noter que le tungstène, et probablement aussi d’autres éléments comme le tantale, ont à peu près les mêmes qualités de capture élevée que l’hafnium, mais avec l’effet inverse. Ce phénomène n’est pas explicable par la seule réflexion des neutrons. Une explication évidente est que les rayons gamma de résonance augmentent le rapport de fission et de reproduction par rapport à une capture plus importante de l’uranium, etc. sur des conditions métastables comme pour l’isotope 235mU, qui a une demi-vie d’environ 26 min.
Moyens supplémentaires de régulation de la réactivitéModification
Les autres moyens de contrôle de la réactivité comprennent (pour les REP) un absorbeur de neutrons soluble (acide borique) ajouté au liquide de refroidissement du réacteur, permettant l’extraction complète des barres de contrôle pendant le fonctionnement en puissance stationnaire, assurant une distribution uniforme de la puissance et du flux sur l’ensemble du cœur. Cette cale chimique, ainsi que l’utilisation de poisons neutroniques combustibles dans les pastilles de combustible, est utilisée pour aider à la régulation de la réactivité à long terme du cœur, tandis que les barres de contrôle sont utilisées pour les changements rapides de puissance du réacteur (par exemple, l’arrêt et le démarrage). Les exploitants des REB utilisent le débit du liquide de refroidissement dans le cœur pour contrôler la réactivité en faisant varier la vitesse des pompes de recirculation du réacteur (une augmentation du débit du liquide de refroidissement dans le cœur améliore l’élimination des bulles de vapeur, ce qui augmente la densité du liquide de refroidissement/modérateur, ce qui accroît la puissance).