Élagage des dangers

Moins cher, un réacteur à sels fondus ?

On peut comprendre que certains ont du mal à croire une telle promesse, venant d’un secteur nucléaire qui a tant de mal à respecter ses engagements, que ce soit pour les temps de construction ou pour le coût des centrales.

Cout temps EPR flamanville

Mais un réacteur à sels fondus est conçu autour d’un combustible liquide. C’est une technologie fondamentalement différente des réacteurs à eau pressurisée qui sont exploités dans toutes les centrales nucléaires françaises aujourd’hui.

Selon Jean-Marc Jancovici, en caricaturant à peine, le cout du nucléaire est à 30% un « cout technique » […] et à 70% le « cout de la précaution » (ce que d’aucuns pourraient appeler le « cout de la trouille »

Pour travailler de façon rationnelle sur cette trouille, les ingénieurs spécialistes dans les études de sécurité utilisent un outil appelé « arbre de défaillances », qui permet de représenter graphiquement les combinaisons possibles d’événements qui permettent la réalisation d’un événement indésirable prédéfini. Le dialogue entre un vendeur de réacteur comme Framatome et une autorité de sécurité s’articule autour de cet arbre de défaillances.

Avec 60 ans d’expérience dans la conception, construction et exploitation des réacteurs à eau pressurisée, l’arbre de défaillances pour cette technologie est largement connu et documenté, et c’est pourquoi le niveau de sécurité de ces machines est excellent.

Mais c’est un grand arbre.

Il y a une relation assez directe entre la taille de l’arbre de défaillances et le coût de la centrale. Alors que le concept fondamental du réacteur n’a pas changé depuis 60 ans, le retour d’expérience des incidents et accidents nucléaires a ajouté de nouvelles branches, brindilles et feuilles à l’arbre de défaillances. Et chaque feuille doit être couverte par au moins un système de sécurité, pour assurer une probabilité d’accident très faible, ce qui fait augmenter le coût.

Le paradigme actuel est qu’on a tellement de retour d’expérience avec le réacteur à eau pressurisée qu’il est pratiquement impossible de changer le concept. On doit vivre avec les dangers qui sont intrinsèques à ce concept et travailler pour réduire les risques. Dans le diagramme ci-dessous, cela implique de suivre la flèche bleue :

Réduire Risques

Revenons à l’exemple de l’EPR, qui est un exemple type de ce paradigme. Dans un réacteur à eau pressurisée, la perte de la capacité à refroidir le réacteur est un dysfonctionnement grave qui peut avoir comme conséquence une fusion du cœur. Les pompes de refroidissement qui font circuler l’eau pressurisée autour des assemblages de combustible doivent fonctionner à tout moment. Des branches conséquentes de l’arbre de défaillance sont dédiées à l’analyse des risques associés à ce danger.

Et si on perd l’alimentation électrique des pompes ?

  • On démarre un générateur diesel de secours pour rétablir le courant.

Et si le générateur de secours est en panne ?

  • On a un autre générateur de secours à côté du premier.

Et si les deux souffrent d’une faute commune ?

  • Un troisième générateur de secours, fabriqué par un autre fournisseur, est installé à côté des deux autres.

Et si le bâtiment qui contient les générateurs est endommagé ou détruit (inondation, chute d’avion, explosion terroriste…) ?

  • Dans un autre bâtiment de l’autre côté de la centrale, il y a 3 autres générateurs de secours.

Générateurs EPR

On comprend facilement que cette stratégie de redondance est un fort inducteur de complexité, de coût, et de temps pour la conception, délivrance de permis, construction & mise au point. Quand on suit la flèche bleue, le coût augmente.

Les architectes atomiques qui sont à l’œuvre dans la conception des réacteurs à sels fondus ont un paradigme différent. Pour réduire le coût d’une centrale, le concept peut être simplifié si on réduit ou élimine les dangers.

Eliminer dangers

Avec un combustible liquide, tout un tas d’outils, d’astuces et de solutions élégantes et ingénieuses sont à la disposition de l’architecte qui sont tout simplement impossibles à mettre en œuvre quand le combustible est un solide. En suivant la flèche verte on a tendance à réduire le coût, par un grand élagage de l’arbre de défaillances :

Elagage des dangers

Pression

Dans un réacteur à eau pressurisée, une énergie potentielle énorme est stockée dans l’eau chaude sous pression. Si elle est relâchée soudainement, cette eau présente le danger de se transformer en vapeur et de propulser des matières radioactives dans l’environnement. L’accumulation de produits de fission gazeux dans les gaines de combustible représente un deuxième danger de pression.

Dans un réacteur à sels fondus, le combustible liquide est à pression atmosphérique. Ces dangers sont éliminés.

 

Terme source volatil

Le terme source – les types et quantités de matières radioactives ou dangereuses rejetées dans l’environnement à la suite d’un accident – représente un danger différent en fonction de son état.

Terme source

Les isotopes radioactifs qui sont à l’état solide ou liquide n’iront pas loin en cas d’accident. Mais ceux qui sont à l’état gazeux peuvent être dispersés dans l’atmosphère dans un nuage radioactif capable de contaminer de vastes surfaces.

Dans un combustible conventionnel à oxyde solide certains produits de fission qui posent un risque pour la santé humaine, comme le césium et l’iode, sont volatils – ils existent à l’état gazeux.

Dans un combustible à sels fondus ces isotopes sont confinés chimiquement par le liquide ionique, avec une pression de vapeur saturante quasiment nulle. La quantité de terme source volatil est réduite par un facteur d’environ un million. Le danger qui contribue le plus à la « trouille » de l’énergie nucléaire est pratiquement éliminé.

 

Contrôle actif de la réactivité

Dans un réacteur à eau pressurisée, la puissance du réacteur est contrôlée à l’aide de barres de contrôle qui absorbent des neutrons.

Barres de contrôle

Quand on veut augmenter la réactivité on lève les barres de contrôle. Moins de neutrons sont absorbés et la réaction en chaîne accélère. Quand on veut réduire la réactivité ou arrêter le réacteur on baisse les barres de contrôle. C’est un système de contrôle actif, piloté par des mécanismes, par des logiciels et par des humains. Une défaillance peut mettre le réacteur dans un état instable et être à l’origine d’un accident de criticité.

Un réacteur à sels fondus est un système homéostatique, autorégulant, où le contrôle de la réactivité est géré passivement, sans barres de contrôle. Quand la température du combustible augmente, le liquide se dilate. Chaque atome se trouve un petit peu plus loin des autres, et la probabilité de fissionner un noyau lourd diminue, donc la réactivité et la puissance diminuent aussi. Quand la température baisse, le liquide se contracte et la puissance augmente. Les lois de la physique sont aux commandes.

Ecoutons le directeur scientifique de l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire :

 

Refroidissement actif

Dans tous les réacteurs nucléaires, la chaleur est générée de deux manières :

  1. La fission de noyaux lourds d’atomes, qui génère deux atomes plus petits appelés produits de fission (environ 89% de la chaleur produite)
  2. La désintégration des produits de fission radioactifs (les 11% de chaleur restants)

On peut arrêter la fission à tout moment. Dans un réacteur à eau pressurisée par exemple on fait tomber les barres de contrôle dans le cœur – après 2 secondes il n’y a plus de fission. Mais il est impossible d’arrêter la désintégration des produits de fission. Dans un combustible solide, cette chaleur doit passer par conduction à travers la matière de chaque pastille, et ensuite par conduction à travers la gaine pour arriver dans l’eau de refroidissement. Il est essentiel d’évacuer la chaleur pour éviter une montée en température dangereuse qui peut finir par une fonte des pastilles de combustible, d’où l’importance des pompes dans un réacteur à eau pressurisée, pour assurer un refroidissement actif, et des générateurs de secours évoqués plus haut pour assurer un fonctionnement en permanence de ces pompes.

Un combustible liquide profite du phénomène physique de la convection pour transporter la chaleur produite par les produits de fission vers les parois du réacteur, où elle peut être évacuée par des systèmes passifs qui ne nécessitent aucune intervention humaine.

 

 

Réactivité chimique

Dans un réacteur nucléaire, les matériaux utilisés peuvent être une source de dangers. Les pastilles de combustible solide dans un réacteur à eau pressurisée sont revêtues d’une gaine en alliage de zirconium, un matériau qui a beaucoup d’avantages pour le fonctionnement du réacteur. Mais le zirconium peut réagir chimiquement avec l’eau autour des gaines si elles ne sont pas refroidies correctement, dégageant de l’hydrogène :

Feu de zirconium

Pour gérer ce danger, les réacteurs EPR sont équipés de combineurs, capables de reconvertir l’hydrogène en eau, un système qui augmente le coût du réacteur.

On peut mentionner ici les réacteurs à neutrons rapides refroidis avec du sodium liquide. Le sodium est un matériau très intéressant pour la physique d’un réacteur, mais qui présente des challenges lourds (et donc chers) dans la gestion de sa réactivité chimique :

 

Mais ce même sodium, dans sa forme ionique et combiné avec un autre élément réactif – le chlore – vous en avez dans votre cuisine.

C’est justement parce que les sels sont composés d’éléments très réactifs qu’une fois combinés avec une liaison ionique ils forment des substances chimiquement très stables. Que se passe-t-il s’il y a une fuite dans un réacteur à sels fondus ?

 

Prolifération

Les vendeurs de double vitrage ne parlent plus de vitrage « anti-effraction », préférant le terme « retardataire d’effraction ». Si un cambrioleur veut casser votre fenêtre, il y arrivera s’il a assez de temps.

Pour la prolifération nucléaire c’est un peu pareil – dès qu’on utilise des matières fissiles il est impossible d’éliminer totalement le danger de leur contournement pour des utilisations militaires ou terroristes. Cette branche de l’arbre de défaillance ne peut pas être coupée, mais elle peut être élaguée si on rend la vie extrêmement fastidieuse pour une organisation avec de telles intentions.

Les réacteurs à sels fondus ont plusieurs attributs qui réduiraient ce danger :

  • Ils peuvent être alimentés par des combustibles avec des niveaux d’impuretés désavantageux pour un malfaiteur.
  • Le combustible dans le réacteur est protégé par le rayonnement intense des produits de fission.
  • Les combustibles peuvent être « dénaturés » avec de l’uranium naturel.
  • Si un retraitement en ligne est utilisé, les déchets peuvent être exempts de matières fissiles.
  • Si le cycle de combustible thorium – uranium est employé, la matière fissile est protégée par les descendants de l’Uranium-232, très radioactifs.
  • Il n’est pas nécessaire d’utiliser de l’uranium hautement enrichi

 

Réserve de réactivité

Les combustibles solides sont placés dans un réacteur à eau pressurisée pour une période typiquement de 12 à 18 mois. Pour assurer un fonctionnement à pleine puissance à la fin de cette période il faut commencer le cycle avec une réserve de matière fissile. En début de cycle, sans les barres de contrôle, le réacteur serait en état de sur-criticité.

Pendant le cycle, la réaction en chaîne est empoisonnée par le Xénon-135, un produit de fission gazeux qui absorbe beaucoup de neutrons et qui peut provoquer des oscillations de puissance. Ce gaz est produit à l’intérieur de la matière solide du combustible, et reste bloqué dans sa structure. Il est nécessaire de prévoir un surplus de réactivité pour compenser la réactivité perdue par l’absorption des neutrons par le Xénon.

Dans un combustible liquide, les produits de fission gazeux comme le Xénon forment des bulles et sortent du combustible en remontant à la surface du liquide. Avec la possibilité d’ajouter de la matière fissile pendant un cycle, le danger de la réserve de réactivité en début de cycle peut être fortement réduit.

 

Liquide –> gaz

Dans la production d’énergie, une température plus élevée rime avec efficacité dans la conversion de puissance. Les concepteurs des réacteurs à eau pressurisée rêvent de faire grimper leurs températures de fonctionnement de quelques degrés, pour extraire du système davantage de mégawatts utiles d’énergie nucléaire.

Mais l’eau dans ces réacteurs doit rester à l’état liquide, sinon on met le système dans un état dangereux. Dans le diagramme température / pression ci-dessous, il faut éviter de se rapprocher trop de la ligne entre la région verte et la région orange.

Pression - température

Une façon de s’éloigner de cette ligne limite, c’est d’augmenter la pression (par exemple, un réacteur EPR fonctionne à 155 bars). Mais plus de pression implique plus de danger, et une plomberie plus épaisse, donc plus chère. Le pauvre concepteur est tiré dans tous les sens :

  • Augmenter la température pour plus de valeur !
  • Baisser la pression pour réduire le coût !
  • Pas trop proche de la limite pour la marge de sécurité !

Fonctionnant à pression atmosphérique, le combustible dans un réacteur à sels fondus est typiquement à une température autour de 700°C, donc l’efficacité dans la conversion de puissance passe de 33% à 45-50%. La marge de sécurité est beaucoup plus grande puisque les sels fondus ont un point d’ébullition typiquement autour de 1400°C. Tranquille.

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Travailler au niveau du concept pour éliminer ou réduire les dangers, au lieu de réduire les risques d’un concept connu, est un nouveau paradigme dans l’énergie nucléaire. Les architectes atomiques qui ont fait ce changement de paradigme sont déjà en dialogue avec des autorités de sûreté – au Canada, en Chine, aux Etats-Unis et ailleurs, mais pas en France. Toujours à la recherche du meilleur compromis entre valeur, coût et temps, la fission liquide les aide à élaguer leurs arbres de défaillances, pour un dialogue plus serein, et une énergie nucléaire plus sûre et moins chère.

 

UK flag Une version anglaise de cet article est disponible ici.

Illustration de l’arbre de défaillances : Alexia Laurie

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Valeur vs Coût

La vie est pleine d’arbitrages. Que le choix soit majeur comme où habiter, ou mineur comme l’achat d’un produit au supermarché, nous pesons constamment la valeur de nos décisions contre leur coût.

La France a décidé dans les années 1970 de produire une grande partie de son électricité à partir d’énergie nucléaire. En 2015, 58 réacteurs à eau pressurisée dits de « génération 2 » ont produit 76,3% de son électricité. Même si un réacteur nucléaire est une machine très chère, l’énergie nucléaire a beaucoup de valeur – elle permet de produire de vastes quantités d’énergie en sécurité, de façon fiable 24h/24h, sans envoyer dans l’atmosphère du CO2 et d’autres polluants.

parc-nucleaire-francais

Pour mesurer subjectivement la valeur de l’énergie nucléaire, la quantité d’énergie produite est la première considération, mais les technologies qui permettent de gagner en sécurité, fiabilité, propreté et durabilité apportent aussi de la valeur.

Imaginons un graphique de valeur contre coût.

  • En rouge la partie avec faible valeur et coût élevé
  • En vert la partie avec valeur élevée et coût faible.

Plaçons la technologie actuelle des réacteurs nucléaires de génération 2 au milieu de ce graphique :

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A partir de cet état des lieux, différentes options sont disponibles.

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EPR

On peut par exemple aller vers la technologie de génération 3 (ou 3+) comme le réacteur EPR actuellement en construction à Flamanville.

Cette technologie a de nombreux avantages en termes de sécurité par rapport à la génération 2, avec l’ajout de nouveaux systèmes. Un réacteur EPR est également plus puissant, avec une capacité de 1 650 MWe. La technologie a donc plus de valeur que la génération 2.

Mais la génération 3 est bien plus chère que la génération 2. Le planning du projet ayant été repoussé plusieurs fois, l’estimation pour le coût du réacteur Flamanville 3 est actuellement 10,5 milliards d’euros (soit 6,36 €/W).

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ASTRID

Sinon, il y a l’option de la génération 4, où la France développe le projet ASTRID, qui a pour objectif de relancer la filière des réacteurs à neutrons rapides au sodium, suite aux réacteurs expérimentaux Rapsodie, Phénix et Superphénix. ASTRID est réputé être aussi sûr que les réacteurs de génération 3+, mais apporte de la valeur en fermant le cycle nucléaire pour apporter une vraie réponse au problème de la durabilité.

Dans les mots de monsieur Nicolas Devictor, chef du programme ASTRID au CEA :

« En France, toutes les parties sont d’accord pour dire qu’un réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium sera toujours plus cher qu’un réacteur à eau pressurisée. Toujours. »

« Il y a un service par contre qui n’est pas le même. Un réacteur à neutrons rapides – c’est un service sur le cycle, sur la gestion des matières. C’est de l’indépendance énergétique en partie aussi dont on parle, parce qu’en France on a des stocks d’uranium importants. On a un stock de Plutonium significatif aussi. »

Donc ASTRID, comme la génération 3, c’est plus de valeur pour plus de coût.

Une autre option est disponible – celle des petits réacteurs modulaires.

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Petits réacteurs modulaires

Assemblés en usine et livrés à la centrale par chemin de fer ou camion, leur petite taille permet une réduction importante du coût, et un financement plus facile.

Mais avec une puissance typiquement entre 50MWe et 300MWe, il faut construire plusieurs réacteurs pour produire la même quantité d’électricité qu’un réacteur de génération 2. Donc cette technologie présente moins de coût pour moins de valeur.

Toutes ces options technologiques utilisent un combustible à l’état solide. Plaçons les sur notre graphique de valeur vs coût :

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Toutes les technologies ont un seuil de coût minimum. Quand on choisit le concept de la technologie, on choisit aussi son seuil de coût. Le seuil de la fission solide empêche l’industrie nucléaire actuelle de quitter la zone jaune.

La vraie innovation, ce serait une technologie qui nous rapproche du smiley vert – plus de valeur pour moins de coût.

Et la fission liquide peut faire cela. Les technologies en développement de réacteurs à sels fondus ont un coût réduit à cause de leur sécurité intrinsèque.

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De loin le plus grand avantage vient de la chimie des sels fondus. Quand les produits de fission sont créés dans un liquide ionique, ils sont enfermés dans ce liquide qui est chimiquement très stable. Les liaisons fortes entre les atomes les empêchent de sortir du liquide, donc le premier niveau de confinement est assuré par la chimie. On agit directement pour réduire le danger du système de réacteur.

Les sels qu’on utilise sont liquides jusqu’à des températures très élevées, donc le système fonctionne à pression atmosphérique. Tous les problèmes de plomberie qui sont associés avec une opération à pression élevée sont éliminés.

Avec un combustible liquide on peut appliquer plein d’astuces dans la conception de l’architecture du réacteur, qui aident aussi à simplifier la conception et réduire le coût.

En construisant les réacteurs en usine, un peu comme pour les avions, on peut s’inscrire dans la démarche des petits réacteurs modulaires, ce qui apporte aussi un gain de coût. On n’assemble pas les airbus dans les aéroports.

Et dans la production d’énergie thermique, plus c’est chaud, plus c’est utile. Les réacteurs à sels fondus fonctionnent à une température beaucoup plus élevée que le nucléaire actuel – environ 700°C au lieu de 350°C, et ça ouvre la porte à d’autres marchés que l’électricité, comme la chaleur industrielle, la production de carburants de synthèse, ou le dessalement de l’eau de mer.

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Avec une technologie comme le réacteur intégral à sels fondus  (IMSR) de Terrestrial Energy, on peut aller vers un coût très faible pour une technologie nucléaire intrinsèquement sûre.

Ces petits réacteurs modulaires auront des tailles entre 30MWe et 300MWe. Leur commercialisation est attendue dans les années 2020.

SSR.jpgLe réacteur à sels stables (SSR) de Moltex Energy permettrait, avec un coût similaire en Euros par Watt, de remplacer les REP de génération 2 et 3.

D’une puissance minimum de 300MWe, l’ajout de modules de 150MWe porte sa puissance maximum à 1200MWe.

MSFR 2.jpgEt les travaux du CNRS et de l’équipe européenne du projet SAMOFAR sur le réacteur MSFR nous montrent le chemin vers une filière à combustibles liquides tout aussi durable que la filière des réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium, mais avec une fraction du coût.

Le seuil technologique de la fission liquide est un nouveau paradigme pour l’énergie nucléaire.

valeur-vs-cout-8

Avant d’aller sur Mars, avant de faire la fusion nucléaire ou les voitures autonomes, faisons déjà ce changement fondamental pour remplacer les combustibles nucléaires solides par des liquides, pour faire la fission nucléaire correctement.

Une fission nucléaire intrinsèquement sûre, fiable, propre et durable, ramenée à un coût qui permettra de concurrencer les carburants fossiles, peut permettre à l’humanité de simultanément augmenter sa prospérité et réduire son impact sur l’environnement.

Plus de valeur et moins de coût. C’est ça le vrai progrès.

Animation IMSR

L’architecture du Réacteur Intégral à Sels Fondus, en développement chez Terrestrial Energy, a complètement changé le paradigme technique et économique de l’énergie nucléaire. Les réacteurs actuels, qui coûtent des milliards d’euros, doivent être rentabilisés sur une période la plus longue possible, ce qui est en conflit avec l’usure inévitable des composants du réacteur à cause du flux de neutrons de la réaction en chaîne.

Dans l’architecture de Terrestrial, tous les composants qui vont s’user font partie d’un unité cœur qui est scellé en usine, livré par camion et installé dans la centrale dans un silo sous le niveau de la terre. La sécurité intrinsèque du combustible liquide aux sels fondus a permis à Terrestrial de réduire le coût de cet unité à un point où il peut être rentable avec une durée de vie de juste sept ans. Du coup, les questions sur la durée de vie des matériaux, et sur la corrosion par les sels fondus sont maitrisées.

MSFR – suivi de charge et sûreté

Le réacteur nucléaire rapide à sels fondus, ou MSFR (pour Molten Salt Fast Reactor) est étudié par le CNRS au Laboratoire de Physique Subatomique & Cosmologie (LPSC) à Grenoble.

Le combustible liquide de ce réacteur apporte une simplicité de conception et une sécurité intrinsèque, avec une grande flexibilité d’opération qui serait très complémentaire avec les énergies renouvelables, pour les problèmes de suivi de charge.

Suivi de charge

Noël 2015 – Renouvelables : une production intermittente allant du simple au triple. Cliquez sur l’image pour visiter le site du Réseau de Transport d’Électricité, avec des données en temps réel.

Dans le domaine de la production d’électricité, on appelle suivi de charge la pratique qui consiste à faire varier la puissance de fonctionnement d’une centrale de façon à l’adapter aux variations de la demande. Plus on produit de l’électricité avec des sources renouvelables non dispatchables comme le solaire et l’éolien, plus les autres sources dispatchables doivent s’adapter rapidement pour suivre la charge globale des consommateurs.

Pour les centrales nucléaires actuelles, un changement de puissance trop rapide peut endommager les crayons de combustible solide. En fonction du type de réacteur le changement de régime est limité à 1% – 5% de la puissance maximale par minute.

Un réacteur à sels fondus n’a pas les mêmes limitations – son combustible est un liquide. Pour illustrer la capacité de suivi de charge du réacteur MSFR, l’équipe CNRS à Grenoble a realisé des calculs de couplage neutronique et thermohydraulique sur des segments d’1/16ème du cœur, chacun avec leur unité de pompe / échangeur.

Calcul neutronique et thermohydraulique

En effet, la performance neutronique du réacteur est impactée par les changements thermo-hydrauliques, et sa performance thermo-hydraulique est impactée par les changements neutroniques. Les calculs et simulations font partie de la soutenance de thèse d’Axel LAUREAU, présentée le 16 octobre 2015.

Une variation de puissance de 33% en une minute a été simulée. On demande au réacteur de passer d’une puissance de 2GW à 3GW en 60 secondes – ce sont les lignes rouges dans l’image ci-dessous.

Suivi de charge

Dans chaque illustration colorée en bas de l’image, on observe deux fois 1/16ème du cœur : à gauche la distribution de puissance produite dans le combustible liquide, et à droite la distribution de température.

Grâce à la propriété de contre-réaction forte du combustible liquide, le réacteur se comporte très bien et en toute sécurité lors de cette transition. Une réduction de puissance rapide de 3GW à 2GW en 60 secondes est également illustrée, par les lignes bleues.

Cette méthode de calcul permet d’aller plus loin et de simuler des scénarios accidentels, pour évaluer la sûreté du réacteur. Dans les vidéos suivantes un incident de sur-refroidissement et un incident d’insertion de réactivité sont illustrés. ATTENTION ! Les échelles de temps sont logarithmiques !

Dans cette simulation le réacteur est initialement dans un état stable avec une faible puissance de 0,1GW (100MW). L’incident simulé est un sur-refroidissement par le circuit intermédiaire, où la température du sel dans ce circuit est instantanément modifiée pour représenter une puissance extraite de 3GW – un événement peu probable considéré comme un cas enveloppe.

La marge à la criticité prompte est de -125pcm (=0.125%), elle représente la contribution des neutrons retardés à la réaction en chaine, et correspond à la réserve de réactivité insérable avant que les neutrons prompts ne pilotent seuls et abruptement la réaction en chaine. Pour éviter cette situation de sur-criticité prompte, on doit rester en-dessous de la ligne de 0 pcm.

Le sel combustible dans l’échangeur est refroidi. Il est transporté par la pompe et vers 0,5 secondes ce sel refroidi commence à rentrer dans le cœur du réacteur, ce qui augmente la réactivité. Vers 1,0 secondes, la puissance commence à monter, ce qui fait monter la température du sel. La dilatation du liquide contribue à réduire la réactivité, et cette contre-réaction est bien supérieure à l’effet du sur-refroidissement : après 1,5 secondes la réactivité atteint un pic avant de redescendre vers son état initial de -125 pcm. Après 3 secondes, la puissance commence à se stabiliser sur la puissance extraite de 3GW.

Conclusion : très bonne capacité du réacteur à compenser un incident de sur-refroidissement de 0,1 à 3GW.

Dans cette simulation le réacteur est initialement dans un état stable de production d’énergie, à sa puissance nominale de 3GW. L’incident simulé est une insertion de réactivité de 1000 pcm (1 pcm = 1 pour cent mille soit 1% ici) en 1 seconde – un événement peu probable considéré comme un cas enveloppe.

La marge à la criticité prompte est de -125pcm (=0.125%), elle représente la contribution des neutrons retardés à la réaction en chaine, et correspond à la réserve de réactivité insérable avant que les neutrons prompts ne pilotent seuls et abruptement la réaction en chaine. Pour éviter cette situation de sur-criticité prompte, on doit rester en-dessous de la ligne de 0 pcm.

Quand on commence à insérer de la réactivité, la puissance et donc la température commencent à monter. Mais comme le combustible est un liquide il se dilate, ce qui contribue à réduire la réactivité. Cette contre-réaction permet de compenser parfaitement l’insertion de réactivité. Après 0,1 secondes la réactivité atteint un pic avant de redescendre vers son état initial de -125 pcm.

Conclusion : très bonne capacité du réacteur à compenser une insertion rapide de réactivité.

 

Un nouveau rapport sur la fission liquide

Au Royaume-Uni, la société Energy Process Developments a publié un rapport avec le titre « Faisabilité de développement d’un réacteur à sels fondus prototype au Royaume-Uni« .

EPD

EPD a été créée en 2014 suite à l’annonce d’un financement de £100 000 du Technology Strategy Board, organisme stratégique du gouvernement britannique en matière d’innovation. Leur étude a été suivie par les universités d’Oxford et Cambridge, avec comme objectifs de :

  • Faire un examen complet de la technologie des réacteurs à sels fondus (RSF)
  • Identifier les développements récents dans ce domaine
  • Comparer les technologies offertes par 6 entreprises
  • Proposer la technologie la plus adaptée pour le développement d’un prototype de réacteur au Royaume-Uni

Technologies étudiées

Le rapport, publié en août 2015, est un document de 75 pages en anglais, disponible en format .pdf par simple clic sur ce lien. Chaque chapitre se termine par quelques lignes de synthèse, traduites en français ci-dessous :

Résumé

Les auteurs de ce rapport recommandent à tous les intéressés qu’ils devraient faire d’urgence les investissements nécessaires, ainsi qu’un engagement pour procéder avec un programme de réacteur à sels fondus, y compris un prototype de démonstration tel qu’identifié par cette étude.

1. Opportunités & aperçu de l’industrie

  • Le Royaume-Uni a un budget de R&D nucléaire inexistant par rapport aux autres grands pays.
  • Il existe une opportunité pour le Royaume-Uni d’avoir une part de £240 milliards dans un marché international du nucléaire de £1000 milliards d’ici 2030. Des RSF à combustible liquide peuvent être développés au Royaume-Uni pour alimenter ce marché.
  • Les RSF peuvent avoir le potentiel d’être plus économiques et sont plus sûrs que les technologies d’aujourd’hui. Les RSF peuvent traiter les stocks de déchets et de plutonium.
  • La prospérité, la consommation d’énergie, le gaz à effet de serre et la croissance démographique sont apparemment tous liés. Avec une source d’énergie propre et pas chère, ils peuvent tous être stabilisés.
  • Une action immédiate du gouvernement britannique peut lancer la technologie des RSF.

2. Concepts de RSF évalués par cette étude

  • La recherche et le développement mondiaux des RSF sont actuellement dirigés par la Chine. Ailleurs, de petites start-ups avec des nouveaux concepts innovateurs sont prometteuses.
  • Six propositions sont examinées pour leur aptitude en tant que prototype de démonstration au Royaume-Uni. Toutes sont considérées comme des propositions valables à ce stade de la conception.
  • Le réacteur à sels stables de Moltex Energy apporte simplicité et avantages pour le Royaume-Uni en particulier.

3. Contexte historique

  • Le réacteur à eau pressurisée a été développé pour le programme de la défense et a été repris pour la production d’électricité.
  • Le RSF en tant que concept a été démontré avec succès dans les années 1960. Il ne répondait pas aux exigences de la défense et a été arrêté.

4. Une introduction à la technologie des RSF à combustible liquide

  • L’énergie nucléaire a une densité énergétique beaucoup plus élevée que d’autres sources.
  • Le combustible des RSF est dissous dans un sel liquide, ce qui apporte de nombreux avantages.
  • Ils opèrent dans un spectre rapide ou thermique, avec un grand choix de cycles de combustible.

5. Avantages des RSF

  • Les RSF peuvent être conçus avec une sécurité passive complète et aucune possibilité pour une dispersion généralisée de substances radioactives.
  • Ils ont un taux élevé d’utilisation de combustible et produisent peu de déchets à vie longue.
  • Les coûts d’une installation peuvent être comparables aux combustibles fossiles.
  • Les RSF offrent plus d’avantages que les autres technologies existantes ou avancées.

6. Défis des RSF

  • La technologie des RSF n’a jamais été disponible dans le commerce.
  • L’approbation réglementaire sera un processus long et coûteux.
  • L’expérimentation sera nécessaire pour certains nouveaux concepts et applications de matériaux.
  • L’obtention de financement est difficile en raison du long engagement requis et le risque élevé de mettre en œuvre une technologie de rupture dans un environnement très réglementé.

7. Réglementation nucléaire

  • Aucune expérience n’existe pour l’homologation d’un prototype de réacteur ou d’un nouveau site.
  • La charge réglementaire pour une technologie innovante est de la responsabilité du vendeur.
  • La véritable innovation est sévèrement limitée par le processus actuel.

8. Sélection du site

  • Le Royaume-Uni n’a pas d’installations pour la démonstration de nouvelles technologies de réacteurs.
  • Le processus de développement et le calendrier seront grandement simplifiés si un site avec une licence existante peut être utilisé.
  • Des RSF qui brûlent du plutonium pourraient être bénéfiques pour l’Autorité Britannique de Démantèlement Nucléaire (NDA) qui possède certains sites appropriés.

Bien que des avantages sont trouvés dans l’ensemble des modèles de réacteurs étudiés, le rapport conclut que le Réacteur à Sels Stables, la conception proposée par Moltex Energy, est la meilleure option à poursuivre. Le Réacteur à Sels Stables est un réacteur à spectre rapide de type piscine, mais sa caractéristique unique par rapport aux autres conceptions est que le combustible est statique. Pour la plupart des réacteurs à sels fondus, le liquide hautement radioactif est pompé activement à travers un échangeur de chaleur tandis que dans la conception de Moltex Energy les sels fondus radioactifs (composés de combustible nucléaire usé mélangé avec du chlorure de sodium pour réduire son point de fusion) sont contenus dans des tubes métalliques, semblables aux crayons de combustible dans les réacteurs traditionnels. Le flux de sels fondus dans les tubes est créé entièrement par convection naturelle, sans pièces mobiles, éliminant la possibilité de défaillance des pompes. Le bassin de liquide de refroidissement contient un autre type de sels fondus ce qui donne au réacteur une sécurité intrinsèque car toute fuite de combustible radioactif est mélangée et diluée dans ce grand bain.

Réacteur à Sels Stables Moltex
Contrairement à tous les autres modèles de réacteurs à sels fondus, cette conception n’est pas un dérivé du réacteur expérimental à sels fondus développé au laboratoire national d’Oak Ridge (où les RSF ont été initialement développés dans les années 1960), mais plutôt une vraie conception du 21e siècle. Avec toute une série d’autres avantages, le Réacteur à Sels Stables est conçu de telle sorte que tous les composants peuvent être construits dans des segments et assemblés sur le site d’une centrale. Cette conception modulaire est beaucoup plus simple et moins chère que les réacteurs d’aujourd’hui, ce qui permet d’envisager un déploiement d’autant plus avantageux.

Le rapport conclut que ce réacteur conçu au Royaume-Uni, « en raison de sa relative simplicité et des obstacles techniques relativement faibles et peu nombreux, est la configuration la plus appropriée pour un développement immédiat à l’échelle prototype au Royaume-Uni ».

Une partie du texte de cet article provient de celui publié sur le site du Alvin Weinberg Foundation par Suzanna Hinson.

L’opportunité du siècle ?

 « Je détermine ce dont le monde a besoin, puis je cherche à l’inventer. »

– Thomas Edison

En 2015 le monde a besoin, plus que jamais, d’une source d’énergie qui est fiable, sûre, durable, propre et bon marché.

« Notre avenir énergétique est défini par une montagne. Cette montagne se crée et se construit devant nous, et va être construite sur les deux prochaines décennies, pour la prochaine génération.

[Cet avenir] est basé sur une demande croissante d’énergie primaire dans les économies non-OCDE. Cette demande d’énergie est construite par six milliards de personnes, qui désirent le mode de vie de la classe moyenne que nous avons aujourd’hui en Occident.

Si l’économie mondiale va fournir cette énergie pour répondre à ce désir, il faut énormément d’énergie propre. »

– Simon Irish, PDG de Terrestrial Energy

Terrestrial Energy est une entreprise privée canadienne avec plus de 30 personnes, qui cherche activement à inventer ce dont le monde a besoin, à travers la technologie des réacteurs nucléaires à sels fondus. Dans une présentation en avril 2015 son PDG Simon Irish a expliqué, du point de vue d’un financier, l’énorme opportunité économique offerte par cette technologie.

(vidéo sous-titrée en français, transcription ici)

« La fourniture d’énergie mondiale est probablement 5% du produit mondial brut, $3,500,000,000,000 par an.

La valeur des fonds propres des compagnies d’énergie d’aujourd’hui est de $5,000,000,000,000, qui est 7,6% de la capitalisation boursière du monde. La valeur d’entreprise de ces sociétés est encore plus. Il y a de gros enjeux au cours des deux prochaines décennies dans cette zone. »

« Si on pouvait conquérir [le marché de remplacement des centrales à charbon] d’une manière incontestée avec un petit réacteur modulaire, compétitif par rapport aux alternatives aux combustibles fossiles, ce serait une opportunité très, très importante. »

Le produit en développement chez Terrestrial Energy est nommé « Réacteur Intégral à Sels Fondus«  (en anglais: Integral Molten Salt Reactor, IMSR). C’est un petit réacteur modulaire qui a l’objectif d’être le plus simple et le moins cher possible, pour démocratiser l’énergie auprès d’une population la plus large possible, et ainsi lutter contre le réchauffement climatique et accroître la prospérité de l’humanité.

Illustration IMSR

L’opportunité économique que représente cette technologie est décrite en plus de détail sur le site internet de Terrestrial Energy. En mai 2015 il était indiqué sur ce site que « L’IMSR peut produire de l’énergie à un coût moyen actualisé de $0,04 / kWh », une phrase retirée depuis mais qui représente certainement l’ambition de l’entreprise.

Imaginons pour un instant un monde où l’électricité propre coûte $0,04 / kWh…

L’IMSR se décline en 3 tailles, pour conquérir différents segments du marché de l’énergie.

IMSR 80 300 600

  • L’IMSR80 génère 80 mégawatts de chaleur, ou 33 mégawatts d’électricité
  • L’IMSR300 génère 300 mégawatts de chaleur, ou 141 mégawatts d’électricité
  • L’IMSR600 génère 600 mégawatts de chaleur, ou 291 mégawatts d’électricité

La taille relativement petite de ces réacteurs permettrait de les construire en usine et les livrer préfabriqués sur le site d’une centrale nucléaire, en contraste avec les grands réacteurs proposés par l’industrie nucléaire traditionnelle, tel que l’EPR d’Areva (maintenant EDF…) avec ses 4500 mégawatts de chaleur et 1650 mégawatts électriques.

Mais les économies d’échelle offertes par une production en série des réacteurs sont éclipsées par l’opportunité présentée par le changement d’un combustible nucléaire solide à un combustible LIQUIDE. Dissoudre l’uranium ou le thorium dans un mélange de sels fondus permet de concevoir un système d’énergie qui fonctionne à pression atmosphérique, avec des substances qui sont chimiquement très stables. En effet, la chimie des sels fondus offre une première barrière de confinement efficace pour les produits de la réaction de fission. Et cette sécurité intrinsèque permet de concevoir un système bien moins cher.

Le coût de l’électricité nucléaire est largement dominé par le capital nécessaire à la construction d’une centrale. A l’opposé d’une centrale thermique, le combustible nucléaire représente une petite fraction du coût global de l’énergie produite. Et il y a une relation directe entre l’investissement de capital nécessaire pour construire un système d’énergie nucléaire et le profil de sécurité intrinsèque du système de réacteur.

CAPEX = ƒ (profil de sécurité intrinsèque du système de réacteur)

Un aspect intéressant de Terrestrial est une volonté de communiquer assez ouvertement sur leur technologie. L’entreprise utilise les médias sociaux (Facebook, Twitter, LinkedIn) et a écrit un article Wikipedia sur l’IMSR. Cet article est désormais traduit en français, sur Wikipédia.fr

Wiki IMSR

David Leblanc, président et directeur technique de Terrestrial Energy a parlé du développement de l’IMSR à la conférence TEAC7 sur l’énergie du thorium, en juin 2015 (voir cette video). Il présentera un nouvel aperçu au symposium de la World Nuclear Association, le 10 septembre 2015 à Londres.

En tant qu’entreprise privée, Terrestrial Energy ne communique pas sur le niveau d’investissement qu’ils ont obtenu. Mais regardons une sélection des personnes qu’ils ont nommées au sein de leur conseil d’administration, équipe de management et conseil consultatif international (cliquez sur les images pour plus d’information) :

Bodner Edwards Engel Hill Johnson MacDiarmid Merrifield Reinsch Rickman Whitman

Certaines de ces personnes ont occupé des postes aux plus haut niveaux des administrations, institutions et entreprises de l’Amérique du nord. Clairement, ils sont convaincus de la nécessité de poursuivre cette technologie activement. Les réacteurs à sels fondus de Terrestrial Energy et d’autres jeunes entreprises pourraient bien représenter l’opportunité du 21ème siècle.

Quel réacteur à sels fondus ?

La fission liquide présente tellement d’avantages que la question n’est pas si on devrait la développer, mais quel concept il faut retenir.

Quel RSF

Ca ressemble à une nouvelle industrie naissante, non ?

Produire de l’énergie nucléaire avec un combustible liquide, au lieu des technologies actuelles qui utilisent toutes des combustibles solides, nous permet d’envisager l’aube d’une nouvelle ère pour la fission nucléaire, avec une technologie de rupture plus sûre, moins chère, fiable, durable et propre – faisons la fusion du cœur AVANT de le mettre dans le réacteur !

Il est important de comprendre que la fission liquide est une famille de technologies, leur difference étant dans l’état de la matière de leur combustible. En modifiant des facteurs tels que choix et chimie des sels fondus, architecture, géométrie et taille du réacteur, vitesse des neutrons, traitement des déchets, refroidissement etc., il est possible, comme pour les combustibles solides, d’imaginer des dizaines de concepts différents.

Branches technologiques

Quelques exemples de branches technologiques de l’énergie nucléaire. La fission liquide est l’ensemble des branches vertes.

 Alors quelle branche verte faut-il développer ?

Grande question…

Dans la communauté internationale de la fission liquide, chaque personne ou groupe apporte une réponse un peu différente à cette question, en fonction de ses valeurs, sa compréhension des exigences et ses idées sur les solutions possibles.

Cependant, dans la façon de penser à ces systèmes d’énergie du futur, on distingue aujourd’hui deux grandes écoles, qu’on appelera ici l’école « Académique » et l’école « Start-up ».

L’école Académique est en grande partie issue des objectifs fixés pour les concepts développés dans le cadre du Forum International Génération 4 :

  • améliorer la sûreté nucléaire,
  • améliorer la résistance à la prolifération – en brûlant les stocks de plutonium,
  • minimiser les déchets – en recyclant et transmutant les actinides issus des réactions nucléaires,
  • optimiser l’utilisation des ressources naturelles,
  • diminuer les coûts de construction et d’exploitation des réacteurs.

Ce sont des objectifs pour satisfaire les clients de l’énergie, et plus largement pour refaire de l’énergie nucléaire une technologie socialement acceptable. Et dans ce domaine, la France peut se réjouir d’être un vrai spécialiste, avec le réacteur MSFR développé par le CNRS à Grenoble, qui a été sélectionné par le Forum GenIV en tant qu’hypothèse centrale pour le concept de réacteur à sels fondus au niveau international. La Commission Européenne a souligné l’importance de cet effort avec l’allocation au mois de février 2015 de plus de €3 millions pour approfondir les aspects de sûreté de ce concept, avec le programme SAMOFAR.

Albert Einstein a dit :

« Tout devrait être rendu aussi simple que possible,

mais pas plus simple. »

Un problème avec l’école Académique est justement que les objectifs sont un peu trop simples. Pour atteindre les objectifs, tout à fait louables, d’optimiser des facteurs tels que durabilité et déchets, il y a une tendance à orienter les choix technologiques sur des solutions qui n’existent pas encore et qui demandent un effort considerable de recherche et développement.

Ecole académique

Avec la technologie EPR en ligne médiane, où se situent les objectifs pour l’école « Académique » ?

La technologie nucléaire est difficile à financer – un développement sérieux de la fission liquide coûtera des centaines de millions d’euros (voire quelques milliards). Pour un investisseur, que ce soit un gouvernement ou une entreprise privée :

  • Effort de R&D important = Risque technologique
  • Risque technologique = délai de commercialisation & coût de développement importants

Risque, temps, coût. La minimisation de ces trois est l’objectif de tout investissseur. Un nouveau produit ou technologie obtient le financement nécessaire à son développement quand un équilibre est trouvé qui satisfait aux exigences de ses clients ET de ses investisseurs.

L’école « Start-up » de la fission liquide voit les choses différemment. Ici, la question est plutôt : Quel est le meilleur réacteur à sels fondus qu’on peut concevoir maintenant ? Avec :

  • Uniquement des technologies éprouvées et disponibles sur étagère
  • L’architecture et la conception la plus simple possible
  • Pas de nouveaux matériaux
  • Un cycle de combustible connu
  • Investissements chiffrés et maîtrisés
  • Production en série, modularité et fabrication des modules en usine
  • Plusieurs marchés cibles (chaleur industrielle, dessalement, hydrogène, carburants de synthèse…), pas uniquement l’électricité

La question étant posée différemment, la réponse est forcément différente aussi. Ce type de technologie serait moins performant en termes de durabilité et déchets (tout en restant bien supérieur à une technologie existante de réacteur à eau pressurisée comme un EPR), mais avec moins de risque technologique et une maîtrise des investissements serait bien plus intéressant pour un investisseur.

Ecole start-up

Alors, à quelle école faut-il donner raison ? Quelle approche doit recevoir le financement important qu’il faut injecter dans la fission liquide ?

La réponse est : toutes les deux. Elles sont interdépendantes et complémentaires.

  • Les nouvelles start-ups ont besoin du monde académique en tant que partenaire pour leur recherche, pour former leur personnel et pour construire et communiquer la vision long-terme.
  • Le monde académique a besoin des start-ups pour orienter les études économiques, et pour faire le retour d’expérience de la conception, construction, validation et opération des réacteurs.

La fission liquide doit sortir du laboratoire pour rivaliser et s’imposer au centre des marchés d’énergie – concurrencer en matière de coûts et de commodité avec le charbon et le gaz naturel. La planète ne peut pas attendre 30 ans avant sa commercialisation. Mais la fission liquide doit également montrer à un public sceptique de l’énergie nucléaire une voie vers une énergie réellement durable et propre, son acceptabilité sociale étant essentielle à son succès.

Ce n’est pas chose facile que de démarrer une nouvelle voie dans la technologie de la fission nucléaire. Cela représente un changement de paradigme, un investissement important, un grand col à traverser… Mais dans la vallée de l’autre côté de ce col, l’herbe est bien plus verte.