Un maximum de 12 % de plutonium dans le Mox

Au cours de l'irradiation d'un combustible classique à l'oxyde d'uranium, il se crée, on l'a déjà mentionné, du plutonium sous différents isotopes. En réalité, la proportion de plutonium 239 se stabilise globalement dans l'ensemble du coeur. En effet, le taux de transformation de l'uranium 238 en plutonium 239 équilibre la disparition de celui-ci par fission. En revanche, apparaissent au fur et à mesure du fonctionnement du réacteur et de plus en plus, les isotopes Pu 240, Pu 241 et Pu 242. Comme on l'a vu plus haut, la part des isotopes pairs est d'autant plus importante que l'irradiation du combustible est plus élevée.

Or les propriétés neutroniques des différents isotopes du plutonium diffèrent de celles de l'uranium. Elles diffèrent également les unes des autres. En particulier, les isotopes pairs du plutonium empoisonnent la réaction de fission dans les réacteurs à eau pressurisée. On considère qu'une réaction en chaîne peut avoir lieu pour un nombre de neutrons émis par neutron absorbé supérieur ou égal à 1,3. Les isotopes pairs du plutonium - Pu 238, Pu 240 et Pu 242- avec des valeurs très inférieures en spectre thermique, sont donc des poisons de la réaction en chaîne.

Sur un plan général, la fission d'un noyau d'uranium 235 produit deux fragments qui réémettent deux à trois neutrons de haute énergie (environ 2 MeV). Dans un réacteur à eau pressurisée, ces neutrons perdent rapidement leur énergie à la suite de chocs contre les noyaux d'hydrogène de l'eau. En tout état de cause, cela est nécessaire à un bon entretien de la réaction en chaîne.

Si la fission de l'uranium 235 se produit sous l'action des neutrons de tout type d'énergie, la probabilité de fission est plus importante lorsque le neutron incident est faiblement énergétique. Grâce à l'eau, les neutrons sont ralentis par chocs élastiques. Leur énergie diminue jusqu'à atteindre un niveau, inférieur à 0,5 eV, où la probabilité d'absorption par le noyau et donc de fission est plus importante.

La présence de plutonium dans le combustible Mox modifie la situation. Les isotopes 239 et 241 du plutonium présentent une résonance d'absorption pour des valeurs d'énergie voisines de 0,5 eV. Ceci veut dire que l'absorption de neutrons peut être multipliée par 10 ou 100. En conséquence, les neutrons susceptibles de voir diminuer leur énergie jusqu'au niveau optimal sont moins nombreux. Le spectre est dit durci. Il y a moins de neutrons de basse énergie et plus de neutrons d'énergies intermédiaires, dits épithermiques. Les poisons de contrôle - le bore dans les réacteurs à eau pressurisée - sont moins efficaces. Les grappes de commande le sont également.

Par ailleurs, le plutonium produit moins de neutrons retardés que l'uranium 235. On constate donc que le coeur est plus nerveux.

Pour toutes ces raisons, une limite à la teneur en plutonium du combustible Mox doit être fixée. Pour ce faire et pour chaque concept de coeur envisagé, des calculs complexes doivent être réalisés en examinant les conséquences des différents incidents et accidents potentiels de fonctionnement du réacteur. Pour simplifier, les résultats de ces calculs montrent que le pourcentage maximal admissible de plutonium par rapport à l'uranium est d'environ 12 %.