Le réacteur Proserpine : un jalon fondateur des recherches françaises sur la sûreté-criticité
Au début de la structuration du programme nucléaire français, la maîtrise du risque de criticité devient un enjeu majeur de sûreté. À Saclay, un réacteur expérimental unique en son genre, Proserpine, utilisant du plutonium sous forme liquide, permet pour la première fois d’acquérir des données essentielles sur ce risque. Une expérimentation pionnière, véritable jalon scientifique et technologique du nucléaire français.
A la fin des années 1950, les réacteurs de recherche connaissent un véritable essor au Commissariat à l’énergie atomique (CEA), notamment sur les sites de Fontenay-aux-Roses et de Saclay. Parmi eux, l’un se distingue par son caractère novateur : Proserpine, un réacteur de très petite taille utilisant du plutonium liquide comme combustible. Ce dispositif expérimental a marqué une étape méconnue mais importante du nucléaire français en lançant les premières études sur le risque de criticité.
« Titiller la queue du dragon » : aux origines de Proserpine
Selon l’ASNR (Autorité de sûreté nucléaire et de radioprotection) : « Le risque de criticité correspond au risque de réunir les conditions d’amorçage et d’entretien des réactions de fission en chaîne. Les matières fissiles présentent la propriété de pouvoir entretenir de telles réactions dès lors que certaines conditions sont réunies ». En somme, si la criticité est recherchée et contrôlée dans le fonctionnement normal d’un réacteur, elle doit être absolument évitée lorsqu’elle se produit de manière non intentionnelle et non maîtrisée, en particulier dans les installations du cycle du combustible nucléaire.
Les premiers accidents de criticité remontent au projet Manhattan, durant la conception des bombes atomiques américaines. En 1945, puis en 1946 à Los Alamos, deux physiciens – Harry Daghlian et Louis Slotin – perdent la vie lors d’expériences menées sur le coeur de ce qui devait devenir la troisième bombe nucléaire, finalement jamais utilisée. Lors de ces manipulations, une sphère de plutonium métallique était devenue brièvement surcritique, provoquant un syndrome d’irradiation aiguë fatal pour les scientifiques1. Après ces accidents, cette sphère fut tristement baptisée le Demon Core (le noyau démoniaque) et l’expression « titiller la queue du dragon », empruntée à une remarque du physicien Richard Feynman, sera utilisée pour symboliser ces prises de risque liées à la manipulation de matières fissiles. Quelques années plus tard, le dragon trônera sur les affiches de prévention de l’usine d’extraction du plutonium UP1 du CEA Marcoule, rappelant aux travailleurs manipulant le plutonium les risques de criticité2 auxquels ils étaient exposés. Ce type d’accident, qui concerne les travailleurs du nucléaire, s’impose alors comme un enjeu important à la frontière entre sûreté nucléaire et radioprotection. En France, le risque de criticité associé aux premiers réacteurs expérimentaux EL (Eau lourde) de Fontenay-aux-Roses et de Saclay, ainsi que la première usine de fabrication et de traitement du combustible du Bouchet (Île-de-France), demeure très faible. En effet, les quantités de matières fissiles mises en oeuvre à cette époque sont encore limitées et l’uranium n’est pas enrichi. Ce risque est néanmoins évoqué en 1958 à propos de l’usine pilote d’extraction du plutonium de Fontenay-aux-Roses3, conçue pour traiter le combustible du réacteur Zoé, premier réacteur nucléaire français, mis en service en décembre 1948. Rapidement, cette installation évolue pour traiter des matières plus radioactives, notamment les combustibles irradiés du réacteur EL2, mis en service en 1952 à Saclay. Au début des années 1950, le nucléaire sort des laboratoires avec la construction du site de Marcoule, de ses réacteurs « G » et de l’usine d’extraction du plutonium UP1. Ce passage à l’échelle industrielle implique la manipulation de grandes quantités de matières fissiles, rendant le risque de criticité plus important. Dans ce contexte, on peut également évoquer la décision, en 1958, de construire l’usine d’enrichissement militaire de Pierrelatte.
Proserpine est construit en quelques mois dans un hall d’expérimentation du CEA Saclay, édifié en béton armé et dépourvu de toute fenêtre
Aux États-Unis, un groupe d’experts réuni au Rocky Flats Plant en octobre 1955 élabore un premier document de référence, un guide destiné à encadrer la sûreté nucléaire. De ces travaux naît le TID-7016, Nuclear Safety Guide, publié en 1957 (puis révisé plusieurs fois, notamment en 19614), qui rend accessibles des données sur la criticité nucléaire5. Un an plus tard, le 16 juin 1958, survient le premier accident de criticité nucléaire aux États-Unis, au sein de l’usine Y-12, spécialisée dans la production d’uranium enrichi6. Les conférences de Genève de 1955 et 1958, réunissant des centaines d’« atomistes » venus de nombreux pays, marquent une première occasion de lever partiellement le voile du secret entourant le nucléaire, en permettant d’aborder ouvertement, pour la première fois, les questions de sûreté et de radioprotection7. C’est dans ce contexte que la France décide de concevoir un petit réacteur expérimental afin d’obtenir, à des fins de sûreté-criticité, des données empiriques sur la masse critique et de valider les méthodes de calcul. Le projet est élaboré par une petite équipe dirigée par Jean Tachon, sous la supervision de Georges Vendryes, chef du service de neutronique expérimentale. Le réacteur est construit en quelques mois dans un hall d’expérimentation du CEA Saclay, édifié en béton armé et dépourvu de toute fenêtre.
Les contraintes techniques et matérielles de l’époque imposent la réalisation d’un appareillage de très petite taille, visant notamment à obtenir une masse critique minimale. À ce moment-là, la France ne dispose que d’environ 300 grammes de plutonium pour mener cette expérience.
Le plutonium produit par le réacteur G1, mis en service en 1956, est réservé à des fins militaires8. C’est donc le réacteur EL2 de Saclay qui fournit le plutonium nécessaire. Celui-ci est extrait du combustible irradié d’EL2 puis transformé en sulfate de plutonium à l’usine pilote de Fontenay-aux-Roses.
Le réacteur est nommé Proserpine par Georges Vendryes. Comme souvent au CEA, la mythologie n’est jamais bien loin : l’élément chimique plutonium tire lui-même son nom de Pluton, dieu des Enfers. Dans la mythologie romaine, Pluton s’éprend de sa nièce Proserpine, fille de Jupiter et de Cérès, déesse de l’agriculture. Surgissant du monde souterrain, il l’enlève pour l’emmener dans son royaume obscur. De même, le petit réacteur Proserpine allait devoir affronter le caractère mystérieux et redoutable du plutonium !
Georges Vendryes racontera plus tard qu’aucune commission officielle n’avait été constituée pour autoriser la mise en route du réacteur. Le jour de la première divergence, le 17 mars 1958, seuls Jean Tachon, Christian Clouet d’Orval et lui sont présents. Réalisant que personne n’est informé, Vendryes appelle Francis Perrin, alors Haut-Commissaire du CEA, pour le prévenir : « Monsieur le Haut-Commissaire, je vous signale que dans une heure nous allons faire la première divergence en plutonium en France. » Curieux et enthousiaste, Perrin quitta aussitôt son bureau et assista, quelques instants plus tard, à la première divergence de Proserpine.
Design et fonctionnement de Proserpine
Dans le sillage des travaux américains présentés à la conférence de Genève de 1955 sur les water boiler reactors9, petits réacteurs à combustible liquide, Proserpine est le premier réacteur français (également appelé à l’origine « pile ») dont le combustible, du plutonium, se présente sous forme de solution homogène.
Proserpine est conçue pour étudier les paramètres statiques et cinétiques d’un réacteur à neutrons thermiques dont la matière fissile est très concentrée. Ces expériences initient les études d’un réacteur de puissance homogène, permettent d’obtenir de premières informations sur la criticité dans les usines de traitement des combustibles irradiés de Marcoule et font progresser la connaissance des propriétés neutroniques de l’uranium et du plutonium (sections efficaces, etc.), grâce à la comparaison entre les résultats expérimentaux et les méthodes et outils de calcul de l’époque.
La conception de Proserpine, selon Jean Tachon, est guidée par deux objectifs principaux : d’une part, l’obtention de la masse minimale de matière fissile nécessaire pour déclencher et entretenir une réaction en chaîne de fission (« masse critique minimale ») ; d’autre part, la prévention du risque de contamination par le plutonium10. Concernant le premier objectif, sur la base des connaissances parcellaires de l’époque sur le comportement des neutrons dans la matière (provenant de la première conférence de Genève en 1955), le choix des matériaux mélangés à la matière fissile et entourant celle-ci a été déterminé. Ainsi, le « coeur » de Proserpine est constitué d’une cuve cylindrique en acier inoxydable puis, ultérieurement, en zircaloy11, de 25 cm de diamètre et 30 cm de hauteur. Dans cette cuve sont mises en oeuvre, d’abord une solution de sulfate de
plutonium12 (campagne 1958-1959), puis, plus tard, une solution de sulfate d’uranium13 (campagne 1960-1961). Ces solutions sont utilisées en raison de leurs très bonnes propriétés neutroniques et des faibles quantités de matière fissile disponibles (environ 300 g de plutonium et 600 g d’uranium). De même, les faibles quantités d’oxyde de béryllium disponibles à l’époque expliquent que le réflecteur de neutrons, placé autour du coeur, est un réflecteur mixte : une couche d’oxyde de béryllium de 27,5 cm d’épaisseur, puis une couche de graphite de 50 cm. Grâce à ces caractéristiques, Proserpine permet d’atteindre des masses critiques minimales très faibles : 410 g pour l’uranium et 257 g pour le plutonium, cette dernière valeur constituant un record mondial !
Concernant le second objectif, compte tenu de la grande toxicité du plutonium, plusieurs dispositions sont mises en oeuvre pour éviter toute conséquence grave liée à une contamination par ce dernier. En retenant le principe de barrières successives14, toujours d’actualité dans les installations nucléaires, plusieurs enceintes sont interposées entre le plutonium et l’environnement. La première est constituée par le circuit contenant la solution elle-même, dont l’étanchéité et la résistance à la corrosion sont vérifiées. La deuxième comprend un circuit étanche de récupération de solution en cas de fuite, ainsi que des boîtes à gants maintenues en dépression. La troisième enceinte est une cabine étanche qui entoure complètement l’expérience et les circuits annexes. L’ensemble est placé dans un hall sans fenêtres, où l’air est renouvelé plusieurs fois par heure.
La figure ci-dessus présente une vue d’ensemble du système expérimental, avec la cuve cylindrique (« coeur ») entourée des réflecteurs. On y distingue également deux boîtes gants latérales où sont installés l’entreposage de la solution et les circuits de préparation des solutions, le tout placé dans une cabine thermostatée afin de contrôler la température de l’expérience. Une tuyauterie de faible section permet le transfert de la solution (et sa vidange en cas d’arrêt d’urgence) depuis ces circuits vers le fond de la cuve. La cuve n’est pas remplie complètement de solution afin de laisser un volume libre pour l’expansion de celle-ci en cas d’excursion de puissance, expansion provoquée par l’important dégagement de gaz radiolytiques.
Proserpine peut fonctionner comme un réacteur nucléaire, car il est équipé d’une barre de contrôle, utilisée pour atteindre l’état critique, et de barres de sécurité horizontales, insérées au moyen d’une « arbalète de sécurité ». Des expériences d’approche sous-critique, réalisées par augmentations successives de la hauteur de solution, sont également menées. Dans ce cas, toutes les barres sont extraites. Lors des expériences, le système de détection des neutrons est composé de chambres à dépôt de bore, de compteurs BF3 et de chambres à fission, placés soit dans le coeur, soit dans le réflecteur.
La sûreté du réacteur est étudiée, en particulier vis-à-vis du risque de destruction de la cuve induite par une surpression provoquée par une insertion de réactivité trop importante
Le tableau de commande permet d’assurer les fonctions de pilotage, de mesure (puissance, temps de doublement, températures, niveau de solution) et les fonctions de sécurité, ainsi que la détection des fuites. La sûreté du réacteur est étudiée, en particulier vis-à-vis du risque de destruction de la cuve induite par une surpression provoquée par une insertion de réactivité trop importante. Des calculs préliminaires visant à estimer les constantes de temps d’une excursion de puissance, ainsi que des expériences simulant un dégagement gazeux brutal dans une configuration identique à celle de Proserpine, sont réalisés afin d’étudier les pics de pression obtenus et de vérifier la tenue du système15.
La pierre angulaire d’un programme ambitieux sur la criticité
Les premiers résultats obtenus avec Proserpine pour la solution de plutonium sont rapidement publiés16 lors de la deuxième Conférence internationale des Nations unies sur l’utilisation pacifique de l’énergie atomique, qui s’est tenue à Genève du 1er au 13 septembre 1958 (soit cinq mois seulement après la première expérience !).
Après Proserpine, qui s’arrête en 1961, les expériences de criticité se poursuivent jusqu’en 1964 à Saclay avec le réacteur Alecto17 installé dans le hall de Proserpine. Elles permettent d’élargir les configurations étudiées (géométries et réflecteurs différents, étude des interactions neutroniques, etc.) ainsi que les milieux fissiles explorés, en particulier l’uranium 233, matière également fournie par les États-Unis18. Ces résultats sont très rapidement pris en compte dans les réflexions et analyses relatives à la gestion du risque de criticité lors de la conception des installations nucléaires19.
Puis, la nécessité de réaliser des expériences plus ambitieuses, et potentiellement plus dangereuses, conduit les responsables à rechercher un site éloigné de tout environnement urbain. Le centre de Cadarache n’existe pas encore, mais celui de Valduc est en cours de construction18. Sous l’impulsion de Robert Galley, alors en charge de la construction des usines d’enrichissement militaires de Pierrelatte, la décision est prise de créer en 1961 un service spécialisé dans le risque de criticité20, et d’implanter à Valduc une station de criticité dans le bâtiment 010, dont la construction s’achève en 1961. C’est dans ce bâtiment que la quasi-totalité des expériences de criticité françaises sont réalisées pendant près de cinquante ans.
Cette accumulation de résultats expérimentaux, en France comme à l’étranger, a conduit, en 1995, à la création d’un projet international de partage et de capitalisation des expériences de criticité sous l’égide de l’Organisation de coopération et de développement économiques (OCDE) : l’International Criticality Safety Benchmark Evaluation Project (ICSBEP). Le formalisme et la rigueur apportés à la présentation et au traitement des différentes incertitudes y sont particulièrement surveillés afin de garantir la qualité des expériences. Malgré son « âge avancé », Proserpine a fait l’objet d’un travail de mise au standard ICSBEP près de quarante ans après la réalisation des expériences afin de contribuer à la validation des codes de calcul en criticité. Alors qu’il n’y a plus d’expériences réalisées en France, dédiées à l’étude du risque de criticité, depuis la fermeture de la station de criticité de Valduc en 2013, il est plus que jamais essentiel de préserver Proserpine et ses successeurs des Enfers de l’oubli.
~~~
1. Stratton, W. R. (1967), A Review of Criticality Accidents, Rep. No. LA-3611, Los Alamos
National Laboratory, Los Alamos, NM.
2. On parle encore de « criticalité » au tournant des années 1950-1960, traduction littérale du
terme anglais criticality, avant que le mot « criticité » ne s’impose progressivement au milieu des années 1960.
3. CEA (1958), rapport CEA 1006, « Le traitement de l’uranium irradié. Résultats exploitation de l’usine pilote de Fontenay-aux-Roses, Archives en ligne de l’AIEA.
4. Nuclear Safety Guide. TID-7016, Rev. 1. Washington, DC : U.S. Atomic Energy Commission, 1961.
5. Duluc, M. (2025), Sûreté-Criticité. Des phénomènes physiques à l’analyse de sûreté nucléaire, EDP Science.
6. Union Carbide Nuclear Company, Division of Union Carbide Corporation, Y-12 Plant, (1958,
September 12). Accidental radiation excursion at the Y-12 Plant : Final report (Report No. Y-1234).
7. Foasso, C. (2003), Histoire de la sûreté de l’énergie nucléaire civile en France (1945-2000) : technique d’ingénieur, processus d’expertise, question de société, Université de Lyon.
8. Souvenirs de Christian Clouet d’Orval (2022), « À la recherche du temps perdu… », Sfen Provence.
9. Voir notamment les communications numérotées P/428, P/834 et P/488.
10. Tachon, J. (1958), Dispositifs de transvasement de solutions de plutonium pour une expérience critique, Rapport CEA no 808.
11. Ce changement de matériau de la cuve a permis de réduire la masse critique.
12. Préparée à partir de nitrate et dont le plutonium est composé d’environ 98 % de l’isotope ²³⁹Pu.
13. Dont l’uranium est enrichi à environ 90 % en ²³⁵U. Cet uranium très enrichi est fourni par les Américains.
14. Roger, M., Mangeon, M., et Martinais, E. (2022), « Dans le rétro : les principales approches de sûreté », RGN no 6, p. 56-58.
15. CEA (1958), rapport CEA R 975 « Proserpine. Expérience critique homogène avec le plutonium », Bibliothèque scientifique du CEA/Paris-Saclay.
16. Il s’agit de la communication P/1203, qui est basée sur le rapport CEA R 975 auparavant cité.
17. CEA (1965), rapport CEA R 2814 « Alecto – résultats des expériences critiques homogènes réalisées sur le 239Pu, 235U et 233U », Archives en ligne de l’AIEA.
18. Poullot, G., Dumont, V., Anno, J., Cousinou, P., Grivot, P., Girault, E., Fouillaud, P., Barbry, F., IRSN/CEA (2003), Catalogue et historique des expériences de criticité. Saclay (1958 –1964). Valduc / bâtiment 10 (1964-2003). DSU/ SEC/T/2003.021 – SRNC/03.04, Archives en ligne de l’AIEA.
19. CEA (1964), rapport CEA R 2653 « Études de criticité », Archives en ligne de l’AIEA.
20. Le SEC, Service d’études de « criticalité », placé sous la responsabilité de Pierre Lecorché.
Par Michaël Mangeon, docteur en Sciences de gestion, chercheur associé au laboratoire Environnement ville société (EVS) et Matthieu Duluc, ingénieur en Sûreté-criticité et radioprotection chez Framatome.
Photo I Le bâtiment du réacteur Proserpine avec le hall au fond au CEA Saclay
Photos à la fin de l’article : © CEA/Service de documentation I © Archives CEA Fontenay-aux-Roses © CEA I © Archives du CEA Marcoule VRH 2014-04-25