Découverte à Oak Ridge

« Faire progresser les réacteurs à sels fondus – les prochaines étapes » était le thème d’un atelier au Laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL) les 4 & 5 octobre 2016, basé sur le très réussi « 50e anniversaire de la mise en service du MSRE » tenu l’an dernier.

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Soutenu par le portail pour accélérer l’innovation dans le nucléaire (GAIN) du Département de l’Énergie des États-Unis, cet atelier a été l’occasion pour les acteurs mondiaux de la recherche et du développement des réacteurs à sels fondus de se réunir. Le site internet de l’atelier regroupe l’agenda, les présentations, des photos

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… et aussi une découverte inattendue.

Dans les semaines précédant l’atelier, ORNL a trouvé par chance dans un congélateur de bibliothèque d’archives, un film de 20 minutes sur le réacteur expérimental à sels fondus :

Ce film documentaire de 1969 a été projeté pendant l’atelier puis publié par ORNL sur YouTube. Il revient en détail sur le succès de ce programme de réacteur expérimental, sur ses phases de conception et de construction et sur son fonctionnement avec sûreté et fiabilité entre 1965 et 1969.

 

Joyeux anniversaire, MSRE !

Cette semaine un atelier au Laboratoire national d’Oak Ridge aux États-Unis a marqué le plus grand et le plus important rassemblement à ce jour des personnes qui travaillent pour donner vie à la technologie des Réacteurs à Sels Fondus (RSF).

Photo : John Kutsch

Photo : John Kutsch

Les objectifs de l’atelier étaient :

  1. Commémorer et saluer le 50e anniversaire de l’année de mise en service du réacteur expérimental à sels fondus (en anglais : molten salt reactor experiment, MSRE), revenir sur les opérations réussies.
  2. Créer un forum pour le partage des informations et de l’état d’avancement de plusieurs initiatives et programmes de R&D liées aux RSF, ainsi que des collaborations internationales qui se sont développées récemment avec l’émergence du regain d’intérêt pour les RSF.

Le réacteur MSRE a fonctionné entre juin 1965 et décembre 1969. Avec un combustible liquide composé de sels de fluorure, il a démontré la faisabilité d’une technologie de fission nucléaire intrinsèquement sûre, qui aurait la possibilité d’être compétitive en coûts avec les combustibles fossiles. Certains membres de ce programme étaient présents à l’atelier, et applaudis pour leur énorme accomplissement.

Un site internet a été créé pour l’atelier, avec l’ordre du jour, les participants, les présentations, photos et vidéos. Un fil Twitter a été alimenté en direct par le compte @MSRAssociation, avec une excellente synthèse et des photos.

Présentations ORNL

Les jeunes entreprises à l’oeuvre sur le développement de cette technologie ont présenté l’avancement de leurs travaux, y compris Flibe Energy, Moltex Energy, Terrestrial Energy, et Thorcon Power.

Steve Kuczynski, le PDG de Southern Nuclear, une des plus grandes entreprises d’exploitation de centrales nucléaires aux Etats-Unis a dit qu’il croyait au profil de sécurité plus sûr et aux coûts de construction moins élevés des réacteurs à sels fondus.

Et il y a plusieurs nouveaux entrants sur la liste des entreprises qui travaillent sur la fission liquide. Jeff Latkowski, directeur de l’innovation chez Terrapower, l’entreprise financé par Bill Gates, a révélé qu’ils travaillent depuis 3 ans sur le développement d’un réacteur rapide à base de sels de chlorure. Terrapower a soumis une demande de financement au Département de l’Énergie des États-Unis pour avancer ce concept. Latkowski s’est dit soulagé de pouvoir enfin en parler en public. L’entreprise d’ingénierie canadienne Hatch a également présenté un nouveau concept sur lequel leurs équipes travaillent.

Il y avait meme une présentation par la commission de réglementation nucléaire des États-Unis, qui est critiquée par la communauté des réacteurs à sels fondus pour sa politique technique actuelle, qui permet uniquement l’exploitation des réacteurs à eau pressurisée sur le sol américain.

Mais c’est en Chine que l’avancement est le plus marqué.

Parmi les présentateurs était Hongjie Xu, directeur à l’Institut de Physique Appliquée de Shanghai (SINAP) du programme TMSR (Thorium Molten Salt Reactor). Xu a présenté une feuille de route qui montre que la Chine a le programme de R&D le plus avancé au monde pour cette technologie. Il a détaillé un plan en plusieurs étapes pour construire des réacteurs de démonstration dans les cinq prochaines années, avec un déploiement commercial autour de 2030. L’Institut prévoit de construire un prototype de réacteur de 10 mégawatts avec un combustible solide, ainsi qu’un réacteur à combustible liquide de 2 mégawatts qui permettra de démontrer le cycle du combustible thorium-uranium, d’ici 2020.

Hongjie Xu à Oak Ridge, le 15 octobre 2015

Hongjie Xu à Oak Ridge, le 15 octobre 2015.

Un site a été retenu pour ces réacteurs à DAFENG (大丰市), à 300km au nord de Shanghai, avec l’accord de la province de Jiangsu et un accord de principe de l’autorité de sécurité nucléaire chinois, le NNSA.

700 ingénieurs nucléaires travaillent sur les réacteurs à sels fondus au SINAP, a dit Xu, un nombre qui dépasse de loin les autres programmes de recherche de réacteurs avancés à travers le monde. La recherche est financée jusqu’en 2017, dit-il; au-delà de cette date l’Institut est à la recherche de nouveaux fonds du gouvernement central, du gouvernement de Shanghai, et du secteur privé. SINAP a signé récemment un accord avec le groupe Fangda, un conglomérat chinois de grande envergure qui fabrique des produits de carbone, fer et acier, et des produits chimiques, pour aider à développer les liquides de refroidissement à sels fondus pour les réacteurs.

« Je suis très confiant » que SINAP sera en mesure de porter son programme de réacteurs à sels fondus jusqu’à la commercialisation, dit Xu. « Parce que, en général, le gouvernement chinois a l’intention de soutenir le développement des futures technologies pour l’énergie nucléaire. Et le marché chinois est très grand pour ces technologies ».

Cet atelier a été jugé tellement utile par les participants qu’il pourrait devenir un événement annuel à Oak Ridge. Vivement les 51 ans du MSRE !

Voir aussi :

  • Photos historiques du réacteur expérimental à sels fondus
  • Brochure sur le réacteur experimental à sels fondus
  • Article ORNL sur l’atelier d’anniversaire de 50 ans du réacteur MSRE

Certains textes de cet article ont été traduits de celui de Richard Martin, publié sur le site internet du MIT Technology Review.

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 marché.

RSF 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 sur l’évacuation de la chaleur par conduction.Flux de convection

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.

RSF simple graphique

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 conception RSF Simple

Les 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.