新年快乐, équipe TMSR !

C’est le Nouvel An en Chine, et l’année de la chèvre pourrait être historique pour l’équipe à Shanghai qui travaille pour développer le premier réacteur à sels fondus du monde à fonctionner depuis 1969.

Energie du Thorium a écrit à Xu Hongjie, le directeur du programme TMSR* au SINAP**, pour poser des questions sur l’avancement.

TMSR    Xu Hongjie

Lettre ouverte à Xu Hongjie, directeur du programme TMSR, SINAP

Cher Dr. Xu,

Ce courriel est pour souhaiter une très bonne année à vous et à toute l’équipe de TMSR.

Partout dans le monde, dans la communauté grandissante des réacteurs à sel fondus, il y a beaucoup de questions au sujet de ce programme passionnant :

  • Quand le premier réacteur (TMSR-SF1) est-il prévu d’atteindre la criticité ?
  • Comment progresse la construction du site du réacteur à Dafeng ?
  • Le réacteur TMSR-SF1 sera-t-il lié à un réacteur chimique pour la production de méthanol ?
  • Combien de personnes travaillent actuellement sur le programme ?
  • Quel est le budget global du programme ?
  • Y a-t-il toujours un soutien politique fort pour le programme, après la démission de Jiang Mianheng ?
  • La conception pour le premier réacteur à combustible liquide est-elle terminée ?
  • Quelle est la visibilité pour le coût du carburant, des capitaux et de l’énergie produite pour les technologies TMSR (combustibles solides et liquides) ?
  • Comment l’équipe est-elle organisée de telle sorte que les physiciens travaillent efficacement avec les chimistes ?
  • Dans le cadre du partenariat avec CNNC, quel sera le premier réacteur à être construit par la CNNC, et quand ?
  • SINAP a un partenariat avec le laboratoire ANSTO en Australie. Y a-t-il d’autres partenariats pour la R&D sur TMSR en dehors de la Chine ?

En 2015, avez-vous un plan de communication ? Comptez vous présenter les progrès de TMSR à la conférence ThEC15 à Mumbai, Inde en Octobre, ou à toute autre conférence en 2015 ?

Est-il prévu que TMSR soit présenté par la Chine comme une solution au changement climatique lors de la conférence climatique COP 21 à Paris en Décembre 2015 ?

Espérons que l’année de la chèvre apportera de grands progrès dans la technologie des réacteurs à sels fondus. Bonne chance à vous et à toute votre équipe.

Meilleures salutations,

John Laurie
http://energieduthorium.fr

En attendant la réponse de Dr. Xu, sa présentation à la conférence ThEC13 au CERN à Genève en 2013 donne des informations intéressantes pour ceux qui voudraient connaître plus sur ce programme.

UK flag Le courriel, tel qu’il a été envoyé en anglais, est ici.

(新年快乐 = Bonne année)

* TMSR = Thorium Molten Salt Reactor –> Réacteur à Sels Fondus au Thorium

** SINAP = Shanghai Institute of Applied Physics –> Institut de physique appliquée de Shanghai

Photo de Xu Hongjie : http://www.icri2014.eu/speakers/xu-hongjie

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Martingale conçoit des centrales nucléaires produites en masse

Martingale Inc. a révélé une approche audacieuse pour résoudre les problèmes mondiaux de pauvreté, pollution, sécurité énergétique et climat. La conception du réacteur nucléaire ThorCon à combustible liquide est détaillée sur le site thorconpower.com.ThorCon

ThorCon est un système complet de modules de production d’énergie, avec entretien par échange et un combustible liquide, qui produit une énergie moins chère que le charbon. Jack Devanney, ingénieur en chef, a dirigé un projet « atelier des putois » de quatre ans qui a créé un nouveau type de centrale nucléaire, intégrant des technologies éprouvées avec des approches innovantes pour la fabrication et l’obtention de licences. La production pourrait commencer d’ici 2020. Martingale a publié sa conception pour une électricité bon marché, fiable et sans émission de CO2 sur thorconpower.com.

ThorCon est conçu par Martingale aux États-Unis, tout en ciblant des premières installations dans des pays tournés vers l’avenir, qui soutiennent une réglementation nucléaire neutre sur le plan technologique et qui voient les avantages du processus de licence par test. ThorCon ouvre la possibilité d’un approvisionnement d’énergie quasi illimité, de faible coût, fiable, et sans carbone d’ici 2020.

Le Réacteur à Sels Fondus Simple

L’entreprise britannique Moltex Energy LLP a été créée fin 2013 pour développer un nouveau concept de réacteur à sels fondus pratique, sûr et bon marchéRSF Simple

Et derrière ce concept il se cache une histoire :

À la fin de la deuxième guerre mondiale, les États-Unis étaient dans une course à l’armement nucléaire. C’était une priorité nationale de produire non seulement les bombes, mais aussi les moyens de livrer ces bombes à leurs cibles. Les missiles balistiques intercontinentaux n’existaient pas encore, la marine américaine commençait son programme de développement de sous-marins à propulsion nucléaire, mais l’armée de l’air était bien embêtée : un bombardier alimenté par le kérosène a une autonomie plutôt limitée. Que faire ? Évidemment, il n’était pas question de laisser la marine devenir la seule force nucléaire militaire !

L’armée de l’air américaine a demandé au Laboratoire National d’Oak Ridge (ORNL) de travailler sur un concept de bombardier à propulsion nucléaire, un avion capable de rester dans l’air pendant de longues périodes de temps afin d’assurer une force de dissuasion nucléaire aérienne permanente.

C’était une idée folle. Mais les scientifiques d’ORNL voyaient plus loin. Un financement militaire permettrait de travailler sur des concepts d’énergie nucléaire avec des combustibles liquides, avec des bénéfices potentiels énormes pour l’humanité. Et donc ils ont démarré le programme « Aircraft Reactor Experiment » (ARE – expérience de réacteur pour avion).

LE RÉACTEUR QUE OAK RIDGE VOULAIT FAIRE DÈS LE DÉBUT

Un article publié dans le journal « Nuclear Science and Engineering » en 1957 explique que dans la phase de conception de ce programme :

« Le premier concept incorporait un combustible de sel de fluorure statique […] Un effort considérable a été mis dans la conception de ce réacteur, mais dans un temps relativement court la conception a encore été modifiée en raison de certains problèmes très difficiles associés avec le combustible liquide statique. La principale difficulté, qui a nécessité un changement dans la conception, a été le gradient thermique radial prohibitif dans le combustible liquide. […] En fait, afin d’obtenir des sorties de haute puissance raisonnables avec des flux de refroidissement raisonnables, la température au centre du combustible serait dangereusement proche du point d’ébullition du combustible. […] Une solution à ce problème de gradient thermique a semblé être la circulation du combustible avec un écoulement turbulent à un échangeur de chaleur, de sorte que le mécanisme pour enlever la chaleur du combustible ne dépendrait pas de la conductivité thermique du combustible. […] Par conséquence, le concept de combustible statique a été abandonné, et les travaux ont commencé sur la conception d’un réacteur de haute température avec combustible en circulation. »

En synthèse : les tubes statiques, ça ne marche pas. Il est impossible d’enlever la chaleur et ça chauffe trop. Il faut une pompe pour faire circuler le combustible liquide.

Et dès lors, tous les réacteurs à sels fondus construits (ARE, MSRE) ou imaginés (MSFR, LFTR, L-TMSR, IMSR …) ont employé un combustible liquide en circulation permanente.

Jusqu’au jour où Ian Scott, un scientifique et inventeur britannique, se penche sur la question d’une énergie nucléaire sûre et bon marché. Sans consulter la littérature, il se met à inventer des dizaines de concepts de réacteurs les plus simples possibles. Comme toujours dans ce genre de processus il y avait du bon et du mauvais, mais petit à petit un concept commence à sortir du lot – un réacteur avec un combustible liquide à sels fondus dans des tubes statiques.

TUBES STATIQUES AVEC FLUX DE CONVECTION

Convaincu par les avantages de ce concept pour simplifier le réacteur et le rendre moins cher et plus sûr, Ian Scott commence à rechercher dans la littérature, et tombe assez rapidement sur l’article des scientifiques d’ORNL. Mais il remarque que leurs calculs et conclusions sur l’échauffement du combustible dans les tubes étaient basés uniquement Convection dans tubessur l’évacuation de la chaleur par conduction.

Un fluide ne reste pas statique quand il est chauffé. La convection du liquide devait certainement contribuer à distribuer la chaleur entre le centre des tubes et les parois.

Alors pourquoi les scientifiques d’ORNL n’avaient pas calculé l’effet de la convection ? Et bien, dans les années 1950 il n’y avait pas d’ordinateurs. La science de la mécanique des fluides numérique n’existait pas. Ils n’avaient tout simplement aucun moyen pour faire ce calcul.

Ian Scott décide donc de faire appel aux services de Wilde Analysis Ltd. Un maillage avec le logiciel ANSYS et un calcul avec le logiciel FLUENT ont démontré qu’avec la conduction seule, le point d’ébullition du sel était effectivement rapidement atteint, mais qu’avec la conduction ET la convection, en fonction du diamètre des tubes la température restait tout à fait gérable.

Sels dans tubes conduction convection

Il s’est associé avec John Durham, qui est par ailleurs président de Alvin Weinberg Foundation à Londres, pour former Moltex Energy LLP, un partenariat à responsabilité limitée, dans le but de faire un développement sérieux de cette technologie au Royaume-Uni, ou à défaut d’exploiter la propriété intellectuelle. Le 11 avril 2014 une première présentation publique a eu lieu à Manchester lors d’une conférence sur l’énergie nucléaire durable de l’institut britannique des ingénieurs chimiques (IChemE).

Vous trouverez ci-dessous un extrait de la présentation de Manchester, avec la traduction française du plan de conception actuel. La prochaine étape sera un contrat avec Atkins Ltd. pour affiner cette conception et évaluer son coût.

Plan de conceptionLes travaux de Moltex Energy sont en train d’ouvrir toute une branche de la technologie de fission nucléaire qui est restée fermée pendant des décennies – celle des combustibles liquides statiques.

Comme le dit Bill Gates, un grand supporteur de l’innovation dans le nucléaire : « Dans presque tous les domaines, les logiciels de simulation changent le terrain de jeu ».

En revisitant certaines décision prises au milieu du 20eme siècle, avec les outils à notre disposition au début du 21eme, il y a certainement d’autres innovations possibles, d’autres branches à explorer, et encore plus de valeur à ajouter pour l’humanité.

Energie des déchets nucléaires

La start-up Transatomic Power est parvenue à développer un réacteur nucléaire à sels fondus, pouvant être alimenté uniquement par les déchets nucléaires des centrales classiques.

(vidéo sous-titrée en français, transcription ici)

Russ Wilcox, Mark Massie et Leslie Dewan ont conçu un réacteur nucléaire, capable de produire d’énormes quantités d’électricité en consommant les déchets radioactifs issus des centrales conventionnelles, tout en réduisant leur durée de vie radioactive. Pour commercialiser cette solution, ils ont créé en 2010 leur entreprise : Transatomic Power. Basés à Cambridge, MA, il ont des liens étroits avec le Massachussets Institute of Technology (MIT), cet institut ayant également des liens avec le programme chinois de développement des réacteurs à sels fondus au thorium.

TAPLa base de leur approche est un réacteur nucléaire à combustible liquide qui est alimenté par de l’uranium dissous dans un sel de fluorure fondu. La conception est basée sur des travaux antérieurs menés dans les années 50 et 60 au Laboratoire National d’Oak Ridge dans le Tennessee, où les nombreux avantages de ce type de réacteur en matière de sécurité ont été démontrés. Mais le projet d’ORNL a été annulé : il était encombrant, avait une faible densité de puissance, et ne pouvait pas être justifié sur des motifs de sécurité parce que le monde n’avait pas encore connu Tchernobyl, Three Mile Island ou Fukushima.

L’équipe de Transatomic Power a amélioré l’idée de départ en modifiant certains des matériaux employés. Un modérateur en hydrure de zirconium au lieu du graphite entraîne une réduction de la taille et donc du coût de construction du réacteur. Et le remplacement du sel Flibe par le fluorure de lithium permet de fonctionner avec du combustible frais très faiblement enrichi ou du combustible nucléaire usé, tout en augmentant la densité de puissance.

MSBR vs WAMSR

Ces deux nouveaux matériaux permettent une grande différence dans la conception. Dans le graphique ci-dessous, Transatomic est la grande ligne bleue. En ralentissant les neutrons du coeur beaucoup plus rapidement entre la région rapide et la région thermique, ils font la transition plus rapidement. La région épithermique au milieu, source de pertes de neutrons, est évitée.

Spectre neutronique

Du coup, il y a plus de neutrons dans la partie thermique du spectre pour la production d’énergie, et plus dans la partie rapide du spectre pour attaquer les composants des déchets à longue durée de vie.

Il faut rappeler que les centrales nucléaires classiques ne sont en mesure d’extraire qu’une infime partie de l’énergie contenue dans l’uranium, en moyenne 3 à 5%. C’est justement cette caractéristique qui rend les déchets nucléaires aussi dangereux : l’énergie qu’ils renferment est considérable.

En exploitant cette énergie résiduelle, la technologie de Transatomic Power permettrait de multiplier par 75 l’électricité produite par tonne d’uranium extrait. Et ce, tout en réduisant la durée de vie radioactive des déchets, de plusieurs centaines de milliers d’années à quelques centaines d’années.

Stockage déchets nucléaires

Avec les 270 000 tonnes de déchets nucléaires déjà stockées dans le monde, les futurs réacteurs de Transatomic Power seraient en mesure de produire assez d’électricité pour la planète entière pendant 72 ans, même en tenant compte de la demande croissante, et simultanément de se débarrasser de la quasi-totalité des déchets nucléaires. La technologie peut fonctionner avec de l’uranium frais faiblement enrichi, ou être adaptée pour fonctionner avec du thorium, et ainsi assurer la sécurité énergétique pendant des milliers d’années.

Transatomic a travaillé avec la société Burns & Roe, qui a une longue expérience dans l’industrie nucléaire, sur l’élaboration d’un livre blanc, qui présente leur proposition technico-commerciale pour un premier réacteur exploitant cette technologie.

Premier réacteurAvec 520MWe de puissance pour 2 milliards de dollars, le prix représente environ 2/3 du coût de l’énergie nucléaire conventionnelle. Et il reste un potentiel important de réduction du coût avec une conception plus modulaire et des techniques de construction plus avancées, ce qui rendrait l’électricité nucléaire moins chère que celle issue des centrales à charbon.

Cette technologie représente une alternative aux combustibles fossiles qui est bon marché et sans carbone. Elle résout les problèmes de la sécurité et des déchets nucléaires. Et elle fournit une réponse sûre, propre et abordable aux besoins d’énergie de l’humanité.

Images : Transatomic Power Corporation

Article repris en partie de celui d’Aymeric Pontier

Réacteur nucléaire rapide à sels fondus

Les réacteurs nucléaires rapides à sels fondus se distinguent des autres réacteurs à neutrons rapides par l’état liquide de leur combustible. Cette particularité leur confère des caractéristiques de sûreté élevées et une grande souplesse d’emploi.

Le sel fondu, un mélange de sels fluorés dans lequel sont dissoutes les matières nucléaires fertiles et fissiles, est à la fois le combustible nucléaire et le caloporteur de l’ensemble. Il parcourt en quelques secondes un circuit étanche comportant une cuve sans modérateur, où le combustible est à l’état critique et s’échauffe, un échangeur thermique où le combustible cède sa chaleur à un fluide caloporteur et une pompe qui assure la circulation du sel.

Réacteur Nucléaire Rapide à Sels Fondus

Dans ce type de réacteur nucléaire, la composition du combustible est uniforme et sans modérateur autre que les composantes du sel fondu. On parle alors de réacteur homogène. En 1958 le réacteur expérimental à eau HRE-2 a fonctionné à Oak Ridge, aux Etats-Unis. Avec une puissance de 5MWth, il a permis de montrer qu’un réacteur homogène était auto stable et ne nécessitait pas de barres de contrôle ni de réserve de réactivité comme pour les réacteurs à combustible solide. Le handicap de ces premier réacteurs était l’emploi de l’eau comme solvant des matières fissiles ce qui impliquait une pressurisation, comme pour les réacteurs actuels. Par la suite, toujours au Laboratoire National d’Oak Ridge (ORNL), un réacteur expérimental à neutrons thermiques de 8 MWth (MSRE) a fonctionné pendant 4 ans (1966/69) sans incident. Il utilisait un sel fondu formé d’un mélange de fluorures pouvant être utilisé à haute température sans pressurisation.

MSRE cellule chaude

Le réacteur expérimental MSRE (1966-1969) : une expérience réussie

 

L’utilisation d’un spectre neutronique thermique, prévu dans le projet MSBR, aurait eu pour handicap la nécessité d’un traitement chimique intensif du sel qui ne compensait pas l’avantage d’un inventaire réduit en uranium fissile. Récemment, une analyse large, avec les moyens modernes de simulation numérique, a abouti au concept optimisé de réacteur nucléaire rapide à sels fondus. Au prix d’un inventaire plus important, il présente de meilleures propriétés de sûreté, ne demande qu’un retraitement très limité des sels et permet l’utilisation des différents noyaux fissiles disponibles.

Comme les autres réacteurs à neutrons rapides, il peut donc utiliser le plutonium issu des réacteurs actuels comme matière fissile. Cependant, il est pénalisant d’utiliser le cycle U-Pu dans un réacteur à sel fondu et il vaut mieux employer du thorium comme matière fertile. L’avantage potentiel de l’emploi d’un combustible liquide est de n’avoir aucune difficulté à utiliser des matières fissiles variées, comme les actinides mineurs ou des mélanges de composition variable au cours du temps. En outre ce type de réacteur a des coefficients de contre réaction thermique et de vide très négatifs, ce qui lui procure un avantage décisif de sûreté.

En 2008, ce réacteur a été sélectionné par le forum international Generation IV (GIF), sous l’acronyme anglais de MSFR pour « Molten Salt Fast Reactor ». Il est donc un des six concepts satisfaisant aux 4 critères de la 4ème génération de réacteurs nucléaires. Ces 4 critères, définis en 2002, sont :

  • Sûreté et fiabilité
  • Durabilité (économie de ressources)
  • Résistance à la prolifération et protection physique.
  • Compétitivité

Si le critère de compétitivité ne peut être testé qu’après avoir construit un premier réacteur de taille industrielle, les autres peuvent être analysés a priori sur la base des principes de fonctionnement.

La sûreté est le point fort de ce concept en comparaison aux réacteurs à combustible solide, pour trois raisons principales.

  1. L’absence de réserve de réactivité du fait de la possibilité d’ajuster en continu la composition du combustible liquide sans arrêter le réacteur. Il n’y a donc pas besoin des dispositifs de contrôle qui ajustent la réactivité du cœur du réacteur entre deux rechargements.
  2. L’auto stabilité du réacteur, lorsque la demande thermique change, grâce à un fort coefficient de dilatation du sel liquide comparé à celui des combustibles solides.
  3. Le coefficient de contre réaction de vide est négatif. Ceci signifie que la vidange du cœur arrête rapidement les fissions induites. C’est d’ailleurs le moyen sûr d’arrêter le réacteur aussi bien en situation de routine que d’urgence. Comme le combustible est liquide la vidange du cœur peut se faire passivement par simple gravité après ouverture de vannes faisant communiquer le circuit du combustible avec des réservoirs à géométrie sous critique situés sous le réacteur. Dans la mesure où ces réservoirs sous critiques sont refroidis passivement pour évacuer l’importante chaleur résiduelle du combustible, le système peut être abandonné pour de longues durées sans danger de relâchement de radioactivité.

La durabilité est assurée pour deux raisons.

  1. Le MSFR utilise un cycle fermé et il est capable de consommer tous les éléments fissiles, c’est-à-dire d’incinérer aussi bien ses propres transuraniens que ceux produits dans les réacteurs à eau actuellement en service.
  2. Bien que l’emploi du thorium comme élément fertile a pour inconvénient de ne pas utiliser le stock actuel d’Uranium appauvri, le thorium est plus abondant dans la nature que l’uranium et rien que pour la France, le stock actuel de 8 500 t de thorium permettrait avec des MSFR de fournir toute l’électricité consommée en France pendant plus d’un siècle.

La résistance à la prolifération du cycle Th – 233U est reconnue du fait d’une production d’232U au même temps que celle de l’233U. Cet 232U a une décroissance radioactive conduisant à l’émission de rayons gamma très énergétiques (1,6 et 2,6 MeV lors des transitions 212Bi/212Po/208Pb). De tels rayonnements rendent la diversion d’uranium aisément traçable et sa manipulation directe rapidement létale. La contrepartie de cette difficulté de détournement est la nécessité absolue de télémanipulation des matières contenant l’uranium 233 et explique la difficulté qui existe d’utiliser cet uranium sous forme solide.

Schéma conceptuel MSFR

Schéma conceptuel d’un MSFR : seule les fonctions sont représentées, les détails techniques n’étant pas définis, et les proportions relatives ne sont que spéculatives.

Un facteur non explicité dans la feuille de route Generation IV, mais de grande importance sociale, est la minimisation des déchets. En fait les seuls déchets qui peuvent être minimisés sont les actinides transuraniens (Np, Pu, Am, Cm, etc..). Tous les réacteurs à neutrons rapides ont une capacité plus ou moins grande à brûler ces éléments pourvu qu’on les exploite en cycle fermé c’est-à-dire avec un recyclage indéfini. Or ce recyclage indéfini est facilité avec un combustible liquide et très complexe avec un combustible solide à cause de l’émission thermique et radioactive des actinides transuraniens. Comme le MSFR est un concept très tolérant aux transuraniens, leur incinération est possible, y compris en cas d’abandon de la fission comme source énergétique. Le fait de pouvoir alors éliminer les charges ultimes des réacteurs permet de réduire significativement (facteur 10 environ) la quantité d’actinides, hors thorium, existant en fin de vie de la filière.

Un traitement du sel combustible est nécessaire pour contrôler sa teneur en éléments fertiles et fissiles et pour limiter les concentrations en produits de fission, afin de maintenir l’efficacité énergétique globale et la propreté du sel. Il est effectué de manière quasi continue sur le site par l’extraction et réinjection journalières de petits volumes de sels, et ne nécessite donc qu’une faible fraction de l’inventaire hors du réacteur. Ce traitement est actuellement prévu par des méthodes pyrochimiques en conservant la nature fluorée du combustible et en conditionnant les produits de fission sous forme métallique ou oxydes.

Simultanément, un nettoyage du sel est effectué de manière continue par bullage de gaz dans le cœur. Une majorité des Xe, Kr, He et Tritium est extraite du sel et décroît dans un stockage adapté, puis ces gaz sont recyclés. Ce bullage permet aussi d’extraire les particules de métaux insolubles dans le sel (Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag et Sn essentiellement).

La régénération en 233U dépend beaucoup des paramètres choisis pour le retraitement en ligne du sel et reste proche de l’unité. Il est toujours possible, dans le cas où une production importante d’233U est souhaitée, de mettre en place une couverture fertile avec un sel ne comprenant au départ que des fluorures de lithium et de thorium et d’où l’233U produit pendant le fonctionnement est périodiquement retiré.

Le MSFR est un système très prometteur dans la poursuite de l’utilisation de l’énergie de fission :

  • Production d’énergie à haute température
  • Opération à pression atmosphérique
  • Bonnes conditions intrinsèques de sécurité
  • Potentiel d’incinération des déchets des autres filières de fission nucléaire

Son étude demande encore un certain nombre de validations concernant :

  • L’hydraulique des sels
  • La thermique et les échangeurs de chaleur
  • La chimie et la corrosion des matériaux

Le temps est venu de préparer des démonstrations sur tous ces sujets.

Nouveau projet CLEF

L’humanité a un besoin pressant d’énormes quantités d’énergie propre pour limiter le réchauffement climatique et assurer la prospérité d’une population mondiale grandissante.

La fission nucléaire, avec la densité d’énergie extraordinaire de ses combustibles, permet de répondre à ce problème, mais le développement de la technologie actuelle atteint des limites qui sont liées à l’utilisation de combustibles solides.

Une nouvelle technologie de combustibles liquides est nécessaire pour lancer une deuxième ère de fission propre et moins chère que le charbon. La France est à la pointe du développement de ces technologies de fission liquide.

A Grenoble INP un nouveau projet structurant « CLEF » (Combustible Liquide pour une Énergie Future) a été lancé, qui permettra à 17 chercheurs de travailler ensemble sur les technologies de la fission liquide, et en particulier sur le concept du MSFR (Molten Salt Fast Reactor).

CLEF

Un document de synthèse décrivant ce projet est disponible en cliquant ici. Il s’articule autour de trois axes principaux :

  • Modélisation et simulation numérique du réacteur
  • Études des matériaux et de la chimie du sel combustible
  • Études de sûreté et de radioprotection

Les laboratoires grenoblois associés à Grenoble INP qui travailleront sur ce projet sont :

Avec un financement d’environ 200 000 Euros sur trois ans seulement, ce projet est loin des sommes nécessaires pour lancer un développement sérieux de cette technologie. Pour cela il faudrait que l’Etat français et l’Union européenne reconnaissent l’énorme potentiel de la fission liquide et lancent un projet de prototype, comme l’a fait la Chine. Mais le projet CLEF permettra de financer 3 post-doctorats et ainsi de former les personnes qui pourront porter ce concept dans le futur.

Le thorium, moins cher que le charbon ?

Pour un politicien ou fonctionnaire qui doit faire des choix difficiles avec un budget serré, quand il s’agit d’établir la politique énergétique d’un pays, les priorités sont :

1. Fiabilité
2. Coût
3. Environnement

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Un rapport de novembre 2012 du World Resources Institute a établi que 1199 centrales à charbon sont actuellement en construction ou en projet dans le monde.

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Cliquez pour la carte interactive

Le charbon est la source d’énergie la plus polluante. Si cette filière se développe aussi vite, c’est parce que le coût par kilowatt-heure n’est pas cher. Les lois du marché le garantissent.

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L’industrie nucléaire mondiale s’est déployée dans les années 1950/60 avec une technologie maitrisée, mais fragile – le réacteur à eau pressurisée (REP). Aux débuts de la première ère nucléaire, le fait que ce type de machine a un rendement inférieur à 1% n’était pas si important – la fission d’un seul atome d’uranium émet environ un million de fois plus d’énergie que la combustion d’hydrocarbures. 1 million x 1% = toujours 10 000 fois mieux !

Mais la technologie nucléaire est complexe, et l’investissement capital pour construire une centrale avec un REP est important. Le retour d’expérience suite aux incidents de sureté avec cette technologie a rendu cet investissement de plus en plus onéreux, jusqu’au point où aujourd’hui elle n’est pas très compétitive comparée aux centrales à combustibles fossiles.

Pour se déployer massivement, une nouvelle technologie d’énergie propre doit être moins chère que le charbon.

Alors prenons la technologie de la fission nucléaire, qui produit aujourd’hui 13% de l’électricité mondiale, et changeons UNE chose. Passons d’un combustible solide à un combustible liquide.

Quel liquide utiliser alors ? Et bien après un peu de recherche, il se trouve que les sels de fluorure fondus offrent les meilleures caractéristiques pour une utilisation dans un réacteur nucléaire homogène.

Et il se trouve aussi que le cycle de combustible au thorium est le mieux adapté pour un réacteur à sels fondus.

Wow ! C’est quand-même radicalement différent ! Combien ça coûte ?

L’état de développement des réacteurs à sels fondus ne permet pas aujourd’hui de donner une réponse précise à cette question. Mais pour Daniel Heuer, Directeur de recherche, Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble), dans un entretien récent avec ParisTech Review :

“Nous avons l’espoir que le réacteur que nous concevons serait moins cher qu’un réacteur à eau pressurisée, ce qui pourrait se révéler décisif au moment des arbitrages politiques et industriels. À titre personnel, je pense d’ailleurs que c’est la seule solution pour passer à la génération IV : avoir un réacteur qui soit moins cher qu’un réacteur à eau pressurisée. Cela reste à vérifier, et c’est l’une des raisons pour lesquelles il est important de continuer à travailler.”

Cette technologie peut-elle être non seulement moins chère qu’un REP mais aussi moins chère que le charbon ? Si aujourd’hui nous ne pouvons pas donner un prix précis pour une centrale avec réacteur à sels fondus, quels sont les facteurs qui la rendraient moins chère ?

Regardons d’abord le coût du réacteur :

FONCTIONNEMENT A FAIBLE PRESSION

 

Dans un réacteur à eau pressurisée (REP) comme un EPR, l’eau de refroidissement à 300°C est maintenue en état liquide par une pression de 150 atmosphères. En cas d’accident avec fuite d’eau, elle se transforme en vapeur. Le bâtiment réacteur est conçu pour éviter la dispersion de cette vapeur radioactive dans l’environnement. Dans un EPR, il dispose d’une double enveloppe de confinement d’1,30m d’épaisseur chacune. Un réacteur à sels fondus fonctionne à faible pression. Son bâtiment réacteur sera plus petit, moins épais et beaucoup moins cher à construire.

Cuve

Image : AREVA

La cuve d’un REP et les tuyaux de circulation sont en acier épais, pour résister à la pression. Pour la cuve d’un EPR les murs ont une épaisseur de 20 à 30 cm, et il pèse 420 tonnes. Une seule entreprise est capable de fabriquer ce genre de composant – le “Japan Steel Works” (Japon). A part le coût exorbitant, la faible capacité de production de ce genre de composant est aujourd’hui un frein au développement de l’industrie nucléaire. Dans un réacteur à sels fondus une épaisseur de quelques centimètres est suffisante.

UNE STABILITE THERMIQUE INTRINSEQUE

Barres de commande

Dans un REP la puissance de réaction est contrôlée par des barres de commande. Celles-ci absorbent des neutrons, ralentissant la réaction en chaîne. Quand on monte une barre, moins de neutrons sont absorbés et la réaction accélère; quand on descend une barre, la puissance de réaction diminue.
Dans un réacteur à sels fondus, la puissance est contrôlée par l’expansion du combustible liquide. Au dessus du cœur, il y a une sorte de “trop-plein”, physiquement écarté de la région où a lieu la réaction en chaîne.

stabilité thermique

 Quand le réacteur chauffe, le liquide se dilate et fait remonter le niveau dans le trop-plein. Il y a donc moins de matière fissile dans le cœur et la réaction est ralentie. Quand la température descend, le liquide se contracte et le niveau dans le trop-plein descend. Avec plus de matière fissile dans le cœur, la réaction en chaîne reprend. Une température de fonctionnement stable est atteinte rapidement. Ce mécanisme, qui simplifie considérablement la conception du réacteur, est possible uniquement avec un combustible liquide.

EVACUATION PASSIVE DE LA CHALEUR RESIDUELLE DE DESINTEGRATION

Générateurs

Images : AREVA

Quand on arrête un réacteur nucléaire, les produits de fission continuent de se désintégrer et à produire de la chaleur. C’est ce phénomène qui a provoqué les accidents majeurs de fusion de cœur à Three Mile Island et Fukushima. Dans un REP la circulation de l’eau de refroidissement est “garantie” par des générateurs diesel de secours. Dans un réacteur à sels fondus, l’état liquide du combustible permet de le vidanger dans des réservoirs où l’évacuation de chaleur se fait passivement. La forme de ces réservoirs étant différente de celle du cœur, l’atteinte d’une masse critique et donc le déclenchement d’une réaction en chaîne sont impossibles.

UNE MATIERE STABLE ET INERTE

Auxiliaires

Images : AREVA

Les sels fondus sont des matières stables et inertes; ils ne réagissent pas avec l’air ou l’eau. Le fluorure de lithium par exemple est le deuxième composé chimique le plus stable connu (après l’oxyde de béryllium). Une fusion du cœur est impossible – le combustible est déjà liquide. Même en cas d’accident grave avec un réacteur à sels fondus avec fuite de combustible liquide radioactif, les hasards et les risques pour l’environnement sont beaucoup moins importants qu’avec un REP. Un meilleur niveau de sécurité intrinsèque réduira le coût du réacteur – par exemple les systèmes d’absorption d’hydrogène d’un réacteur EPR ne seraient plus nécessaires.

RECHARGEMENT ET RETRAITEMENT EN LIGNE

Rechargement

Avec un combustible liquide, il n’y a pas besoin d’arrêter le réacteur tous les 18 mois pour rechargement, déchargement et repositionnement du combustible, ce qui grève le rendement de la centrale. Les machines qui font la manutention des assemblages de crayons de combustible ne seraient plus nécessaires.

Retraitement_en_ligne
Le retraitement des déchets est facilité par l’état liquide du combustible. Un retraitement chimique sur site sépare les produits de fission du mélange de sels, combustible et actinides. Ces derniers sont renvoyés dans le réacteur pour fissionner et produire de l’énergie, ce qui augmente le rendement et réduit la production de déchets.

Retraitement

Pour les combustibles solides, il est nécessaire de transporter tout le combustible irradié dans une usine dédiée où des processus complexes et chers les transforment, pour retraitement chimique … en liquides !

UN MEILLEUR RENDEMENT THERMIQUE

Rendements

Image : K Sorensen

Avec une température de fonctionnement de 300°C, un REP est capable de transformer 33% de sa chaleur en électricité. Les sels fondus sont liquides sur une plage de 1000°C, et avec une température de fonctionnement autour de 700°C, on peut atteindre un rendement proche de 50%.

Cycle Brayton fermé

Image : R Hargraves

Un réacteur à sels fondus peut être couplé à un système de conversion de puissance Brayton à cycle fermé, à hélium ou CO2. Ces systèmes sont beaucoup moins grands qu’une turbine à vapeur, ce qui permettrait également de réduire la taille du hall du groupe turbo-alternateur.

REFROIDISSEMENT A L’AIR

Tour

Pour des réacteurs à sels fondus de puissance moyenne, le meilleur rendement serait un facteur qui permettrait d’envisager un refroidissement à l’air du cycle de conversion de puissance, évitant la contrainte d’une installation près d’une source d’eau.

FAIBLE TAILLE

La capacité thermique des sels fondus est supérieure à celle de l’eau dans un REP ou du sodium dans un Réacteur à Neutrons Rapides (RNR). Les géométries du cœur et des boucles de transfert de chaleur peuvent être plus compactes, réduisant les coûts de matières pour leur fabrication.

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Il serait possible de fabriquer des réacteurs de puissance moyenne en usine et de les transporter par camion pour installation dans une centrale. L’effet volume serait un facteur important pour réduire les coûts. Avec un nombre plus important de réacteurs de puissance moyenne, les coûts de distribution d’électricité seraient réduits.

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Cela fait déjà 8 raisons de penser qu’un réacteur à sels fondus serait moins cher à concevoir et à construire qu’un REP. Pour ceux qui auraient encore des doutes, regardez cette vidéo AREVA sur EPR en vous demandant combien ça coûte. Regardons maintenant les différences au niveau du cycle de combustible, qui influencent le coût de l’énergie :

FABRICATION DU COMBUSTIBLE SOLIDE ELIMINEE

Fabrication Combustible

Pour fabriquer le combustible solide d’un REP, l’oxyde d’uranium en poudre est comprimé en pastilles cylindriques qui sont cuites à 1700°C pour les rendre compactes et solides. On fabrique avec précision une gaine de zirconium pour entourer les pastilles de combustible. On fait un tri manuel des pastilles selon leur contenu en uranium 235 fissile pour optimiser leur position dans la gaine et donc dans le réacteur. On insère les pastilles dans la gaine pour former un crayon de combustible, qui est rempli d’hélium et fermé par un bouchon, avec une étanchéité parfaite. Ces crayons sont regroupés dans un assemblage fabriqué, avec précision, de zirconium et d’acier inoxydable.

En regardant cette vidéo AREVA, on comprend bien pourquoi la fabrication d’un combustible solide coûte aussi cher. Tous ces processus sont éliminés avec un réacteur à combustible liquide.

LE THORIUM EST ABONDANT ET PAS CHER

Sphere Thorium

Image : R Hargraves

Une tonne de thorium suffit pour alimenter un réacteur à sels fondus qui produit 1000MW d’électricité, pendant un an. Le coût d’une tonne de thorium est de l’ordre de 250 000€, soit 0,00003€ / kWh – négligeable !

La concentration moyenne du thorium dans la croûte terrestre est d’environ 12 parties par million. Les réserves connues sont suffisantes pour alimenter les besoins énergétiques de la planète pendant plusieurs millénaires. On peut vraiment parler d’énergie renouvelable.

ENRICHISSEMENT D’URANIUM REDUIT

Enrichissement

Image : World Nuclear Association

Un réacteur à sels fondus a besoin de matière fissile pour démarrer, le thorium étant un combustible fertile qui a besoin de l’impact d’un neutron pour se convertir en uranium 233. Cette matière fissile peut être de l’uranium enrichi. L’enrichissement de l’uranium par centrifugeuse est un processus qui coûte cher, mais qui est nécessaire pour le démarrage initial uniquement.

MOINS DE DECHETS

REP vs RSF

Image : R Hargraves

 

Un réacteur à sels fondus produit moins d’un pour cent d’isotopes transuraniens radioactifs, par rapport à un REP. C’est la production de chaleur de ces isotopes qui est le principal inducteur de coût pour les sites de stockage des déchets radioactifs en couche géologique profonde.

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Comme nous avons noté au début, dans le monde politique le coût d’une source d’énergie est bien plus important que les considérations de l’environnement. Pour démontrer que l’énergie du thorium sera moins chère que le charbon, il faut lancer un avant projet de réacteur à sels fondus, associé à une étude économique objective et impartiale. En France, le CEA serait bien placé pour réaliser de telles études, mais il faudrait qu’il soit ainsi missionné par l’Etat. Si vous soutenez cette démarche, envoyez le lien pour cet article (http://wp.me/p2oTUJ-4M) à votre élu. C’est aussi votre facture d’énergie qui est en jeu…

Facture EDF

Article inspiré par le livre de Robert Hargraves : Thorium energy cheaper than coal

TECTC