Si on veut concevoir un système reproducteur de volailles, on travail d’abord sur la poule, ou sur l’œuf ?

Dans ce paradoxe éternel, les deux sont interdépendants. Pour résoudre le paradoxe, il faut voir l’ensemble comme un système unique poule – œuf couplé.

Mettons-nous maintenant à la place des scientifiques travaillant au début des années 1940 sur le Projet Manhattan aux Etats-Unis. La conception et construction des bombes nucléaires étant bien engagées ils tournent leur attention à la conception de systèmes produisant de l’énergie à partir de la réaction en chaîne nucléaire, et ils tombent sur un paradoxe. Le cycle de combustible de ces systèmes influence la conception du réacteur, et le réacteur influence la conception du cycle de combustible.

Dans un discours de 1997, Alvin Weinberg a évoqué cette période d’exploration :

« Il y avait deux personnes au laboratoire métallurgique [le Projet Manhattan] : Harold Urey, le chimiste spécialiste des isotopes, et Eugene Wigner, le concepteur du site de Hanford, tous deux lauréats du prix Nobel. Ils soutenaient toujours qu’il fallait examiner si les réacteurs à chaîne — des dispositifs d’ingénierie produisant de l’énergie à partir de la réaction en chaîne — devaient être fondamentalement des dispositifs relevant de l’ingénierie mécanique ou de l’ingénierie chimique. Et Wigner et Urey insistaient pour que l’on s’intéresse à des dispositifs chimiques — c’est-à-dire des dispositifs dans lesquels les éléments combustibles seraient remplacés par des liquides. »

« La Proto-histoire du système des sels fondus« 
Alvin M. Weinberg, ancien directeur du Laboratoire national d’Oak Ridge, 28 février 1997

Dès 1944 Urey et Wigner avaient mis le doigt sur un des paradoxes les plus complexes en matière de conception des systèmes nucléaires. Faut-il concevoir d’abord les réacteurs et adapter le cycle du combustible en conséquence, ou concevoir d’abord le cycle du combustible et construire des réacteurs compatibles ? Dans le système réacteur – cycle de combustible couplé, quelle manière de penser produirait un système global le plus simple ?

Une approche centrée sur la chimie offrait beaucoup d’avantages. Un combustible liquide serait plus simple à préparer en amont du réacteur et plus simple à retraiter en aval. Dans le réacteur le liquide pouvait servir à la fois de combustible, de caloporteur et de modérateur, simplifiant radicalement son architecture.

Mais quel liquide ?

Les chercheurs du laboratoire national d’Oak Ridge lancent le Homogeneous Reactor Experiment, avec des sels d’uranium dissouts dans de l’eau. À l’époque, cette chimie est bien maîtrisée grâce aux travaux du projet Manhattan, et l’eau modère efficacement les neutrons, permettant d’atteindre la criticité avec un uranium faiblement enrichi.

Les premières expériences montrent qu’un réacteur à combustible liquide peut fonctionner. Mais les difficultés apparaissent rapidement. Le rayonnement provoque la radiolyse de l’eau, produisant hydrogène et oxygène, un mélange potentiellement explosif. La solution chaude est aussi très corrosive, et maintenir l’eau liquide à haute température impose un fonctionnement à forte pression.

Peu à peu, les ingénieurs comprennent que si l’idée du combustible liquide est prometteuse, l’eau n’est pas le bon liquide.

C’est alors que deux chercheurs d’Oak Ridge, Raymond C. Briant et Edward S. Bettis, proposent une alternative : dissoudre l’uranium dans des sels fondus. Ces liquides, stables à haute température, ne subissent pas de radiolyse et peuvent fonctionner à haute température mais à basse pression.

C’est ainsi que débute l’histoire d’amour d’Oak Ridge avec les sels fondus comme combustibles et fluides caloporteurs pour réacteurs. Et le reste appartient à l’histoire.

Un papier publié par Weinberg en 1957, citant Briant en auteur posthume, compare les deux manières de penser :

Deux écoles très différentes de conception des réacteurs ont émergé depuis la construction des premiers réacteurs.

Une première approche, illustrée par les réacteurs à combustible solide, considère qu’un réacteur est fondamentalement une installation de génie mécanique ; la rationalisation ultime consiste alors à simplifier les équipements de transfert de chaleur.

L’autre approche, illustrée par les réacteurs à combustible liquide, considère qu’un réacteur est fondamentalement une installation de génie chimique ; la rationalisation ultime consiste alors à simplifier la manipulation et le retraitement du combustible.

Au laboratoire national d’Oak Ridge, nous avons choisi d’explorer cette seconde approche du développement des réacteurs.

R.C. Briant & Alvin Weinberg, “Molten Fluorides as Power Reactor Fuels,” Nuc. Sci. Eng, 2, 797-803 (1957).

Mais malgré tout son potentiel, l’approche centrée sur la chimie et les combustibles liquides a toujours eu du mal à s’imposer – le nucléaire civil est largement une histoire d’une école de pensée centrée sur les réacteurs et les combustibles solides.

Cette manière de penser est l’héritage direct des origines militaires de la technologie. Avec un budget essentiellement illimité, l’objectif du projet Manhattan était clair : produire du plutonium pour les armes. La priorité était donc de maîtriser la réaction en chaîne et de construire des réacteurs capables de générer un flux neutronique suffisant. Les questions de cycle du combustible — recyclage, gestion des matières ou optimisation des ressources — restaient secondaires.

Lorsque le nucléaire civil a émergé après la guerre, cette culture technique s’est naturellement prolongée. Elle reflétait aussi l’état des connaissances de l’époque. Entre les années 1940 et 1960, la physique neutronique progressait rapidement, tandis que la chimie des combustibles irradiés et le comportement des produits de fission restaient beaucoup plus incertains. Concevoir un réacteur avec un combustible solide connu et familier apparaissait donc comme l’approche la plus pragmatique.

Les dynamiques industrielles et politiques ont ensuite renforcé cette orientation. La standardisation internationale des réacteurs à eau légère a finalement structuré tout l’écosystème industriel autour de cette logique.

Pourtant, l’énergie nucléaire est toujours dans son enfance. Pour remplir tout son potentiel à répondre aux enjeux technologiques, sociétales et environnementales du 21ème siècle, pour devenir un choix évident dans tous les vecteurs des marchés féroces de l’énergie, nous aurons besoin des simplifications offertes par les combustibles liquides imaginées par Urey et Wigner, et de la solution du réacteur à sels fondus inventée par Briant et Bettis.

Au fond, l’avenir des technologies d’énergie nucléaire pourrait tenir à une seule école de pensée : une poursuite implacable et intransigeante de la simplicité.