Ce sera la première mise en service d’un réacteur à sels fondus depuis le réacteur expérimental MSRE au laboratoire national d’Oak Ridge aux États-Unis, qui a fonctionné avec succès entre 1965 et 1969.
Suite au lancement du programme de R&D TMSR par l’académie des sciences chinoise en janvier 2011, la construction de TMSR-LF1 a commencé en septembre 2018 et aurait été achevée en août 2021. Le prototype devait être achevé en 2024, mais les travaux ont été accélérés. Si ce prototype s’avère un succès, la Chine prévoit de construire un réacteur d’une capacité de 373 MWt d’ici 2030.
« A côté de ces EPR, un appel à projets sera soutenu à hauteur d’un milliard d’Euros par France 2030, et sera lancé pour faire émerger des petits réacteurs modulaires, les fameux SMR que nous évoquions là aussi toute à l’heure mais aussi des réacteurs innovants permettant de fermer le cycle du combustible et de produire moins de déchets.Pour 500 millions d’Euros ce seront des projets portés par EDF, NUWARD qui était évoqué toute à l’heure par le président d’EDF, et il y aura aussi 500 millions d’Euros pour des projets – ouverts – sur des réacteurs innovants que j’évoquais à l’instant.
Ces dernières années en effet des secteurs à forte intensité technologique comme le spatial ou l’automobile ont vu aussi de nouveaux acteurs profondément bouleverser les processus anciens – souvent pour le meilleur. C’est pourquoi je suis convaincu que la France a les moyens de porter une telle révolution dans le nucléaire, avec des réacteurs en rupture. Je fixe un objectif ambitieux mais à la mesure de l’intensité de la compétition dans le secteur – construire en France un premier prototype d’ici 2030. Nous avons déjà des start-ups qui se lancent, et là encore, des appels à projets seront publiés dans les prochains jours. Le CEA, qui a joué un rôle décisif dans la naissance de la filière nucléaire française, appuiera et accompagnera la montée en puissance de ces nouveaux acteurs.
Ce nouveau programme pourrait conduire à la mise en service de 25 gigawatts de nouvelles capacités nucléaires d’ici 2050.
Ces projets, vous l’avez compris, viennent en complémentarité mais n’enlève rien à la visibilité que j’ai donnée pour les EPR2 qui sont de toute façon nécessaires et s’inscriront avec les deux paliers que j’ai évoqués. Mais ils nous permettront là aussi de continuer à améliorer notre innovation technologique, à améliorer la sûreté, à réduire les déchets, à aller vers la fermeture du cycle, de même que nous continuerons l’ensemble des projets de recherche – ITER à Cadarache, toutes les autres solutions, les projets conduits par le CEA, dans toutes ses composantes.«
500M€ pour des réacteurs innovants
Quand le chef de l’État a présenté le 12 octobre 2021 le plan d’investissement France 2030, il a dit que le « premier objectif, objectif numéro un, c’est faire émerger en France, d’ici 2030, des réacteurs nucléaires de petite taille innovants avec une meilleure gestion des déchets. »
1 milliard d’Euros ont été consacrés à cet objectif, et un proche du président, Bruno Bonnell, a été nommé Secrétaire Général Pour l’Investissement en charge du plan France 2030. Le discours d’hier apporte une première clarification sur la distribution de cette somme : la moitié sera consacrée au réacteur SMR NUWARD d’EDF, et l’autre moitié aux « réacteurs innovants permettant de fermer le cycle du combustible et de produire moins de déchets ».
Construire en France un premier prototype d’ici 2030
En annonçant cet « objectif ambitieux mais à la mesure de l’intensité de la compétition dans le secteur », Emmanuel Macron semble reconnaitre le message, porté par ce site depuis dix ans, qu’une innovation de rupture dans l’énergie nucléaire est à notre portée. La France, qui a tous les atouts pour réussir le déploiement d’une technologie nucléaire plus propre, moins chère et plus rapide à construire, doit faire très attention face à des concurrents internationaux de taille tels que la Chine et les États-Unis qui soutiennent déjà des projets et des technologies qui pourraient dominer le futur marché de l’énergie décarbonée.
Le CEA appuiera et accompagnera la montée en puissance des start-ups
Derrière cette phrase simple il y a un choix fondamental de cadrage. En France les innovations dans le secteur nucléaire ont été portées depuis longtemps par le CEA, avec des projets comme ASTRID. Dans le secteur des réacteurs à sels fondus ce cadrage étatique a été le choix par exemple de la Chine, où l’Institut de physique appliquée de Shanghai (SINAP) porte l’effort de développement national avec le programme TMSR. Mais dans d’autres pays comme les États-Unis ce sont des entreprises start-up qui portent les projets, avec un foisonnement d’entreprises de taille petite et moyenne créées depuis une décennie. Ces entreprises se financent principalement avec du capital privé, mais accèdent aussi à des subventions d’État et bénéficient d’un accès privilégié aux ressources et à l’expertise des laboratoires nationaux.
C’est donc ce choix de soutien de l’État aux entreprises start-up que suivra désormais la France. Et la start-up française la mieux placée pour bénéficier d’un tel soutien est naarea, qui développe depuis 2021 un concept de réacteur à sels fondus baptisé XSMR.
Il s’agit d’un microréacteur avec une puissance de quelques dizaines de mégawatts, qui occuperait une place dans le marché très différente des réacteurs de taille gigawatt lancés par Emmanuel Macron hier. Conçu pour fonctionner avec un spectre neutronique rapide, ce réacteur serait capable de s’alimenter avec les « déchets » produits par les réacteurs EPR.
Contacté par ce site, le PDG de naarea Jean-Luc Alexandre a réagi aux annonces du président français :
« Naarea se réjouit du soutien apporté par la France à la filière nucléaire française dont l’excellence n’est plus à démontrer. Seule l’énergie nucléaire est à même aujourd’hui de produire une énergie décarbonée, sûre préservatrice du climat mais également de l’indépendance énergétique de l’Europe. Face à l’intensification de la concurrence internationale, le Président donne les moyens à notre pays de se développer de manière volontariste sur le nucléaire de quatrième génération et les SMR. C’est par l’innovation de rupture et l’esprit de conquête que nous pourrons contribuer à la réindustrialisation du pays comme aux objectifs de développement durable. »
25GW d’ici 2050
Pour donner une idée de l’ambition affichée par cet objectif de déploiement de réacteurs innovants, 25 gigawatts est l’équivalent d’environ 15 réacteurs EPR, ou de l’ordre de 1000 réacteurs XSMR de naarea.
Avec un effort soutenu de tous les acteurs de la filière nucléaire en France cet objectif est tout à fait réalisable. Surtout si la technologie choisie permet d’accéder à un coût de production d’énergie compétitif avec les énergies fossiles, un risque financier fortement réduit et un temps de construction en rupture avec la technologie actuelle.
A la fin de son discours, le président a déclaré que la France par la stratégie dont elle se dote fait le choix :
du progrès
de la confiance en la science, en la technologie et en la raison
du climat
de l’industrie et de l’emploi
du pouvoir d’achat
de son indépendance
de sa liberté.
Souhaitons bon courage à tous ceux qui œuvrent à l’atteinte de ces objectifs.
Dans un article nommé « MSR, convertisseur d’actinides ? » Aude Ganier démystifie et vulgarise la technologie, avec l’appui de Guillaume Campioni et l’infographiste Jeremy Perrodeau. Le CEA se focalise ici sur une des capacités de cette technologie : la transmutation, qui permet de réduire la quantité, la dangerosité et la durée de vie des actinides mineurs produits dans un réacteur à fission nucléaire.
Un message important est passé sur la sûreté, car un réacteur à sels fondus possède typiquement un arbre des défaillances réduit. Vous pouvez lire davantage sur ce thème dans l’article Fission Liquide Élagage des dangers.
Terrestrial Energy a conclu un accord avec Orano, leader mondial du cycle du combustible nucléaire, dans le cadre de son programme d’approvisionnement en combustible pour l’exploitation du Réacteur Intégral à Sels Fondus (Integral Molten Salt Reactor, IMSR), une centrale nucléaire de génération IV.
Le large éventail de services de l’accord comprend l’enrichissement de l’uranium, la conversion chimique en combustible IMSR, sa production, son transport, son emballage et sa logistique. Ce champ d’application couvre l’analyse de la production et de la fourniture commerciales à grande échelle de combustible IMSR et s’applique aux principaux marchés actuels pour le déploiement de centrales IMSR, notamment le Canada, les États-Unis, le Royaume-Uni et le Japon.
Cet accord s’inscrit dans la stratégie d’approvisionnement multiple de Terrestrial Energy pour l’approvisionnement en combustible IMSR et reflète la volonté d’Orano de soutenir la commercialisation des réacteurs de nouvelle génération avec sa large gamme de services de combustible. La relation entre les sociétés est non exclusive et permet aux deux parties de poursuivre d’autres opportunités commerciales similaires dans l’industrie nucléaire.
Depuis plus de 50 ans, le Groupe Orano fournit à l’industrie nucléaire mondiale des produits et des services d’expertise sur l’ensemble du cycle du combustible nucléaire. Ces services comprennent l’enrichissement de l’uranium ainsi que la conversion, la production, l’emballage et le transport du combustible. La sécurité de l’approvisionnement en combustible commercial tout au long de la durée de vie de la centrale est soutenue par les installations de conversion et d’enrichissement modernes et de pointe d’Orano, qui répondent aux normes de sûreté, de qualité et de sécurité les plus élevées tout en réduisant l’empreinte environnementale.
« Cet accord avec Terrestrial Energy applique la portée mondiale de l’approvisionnement en combustible et l’expérience d’Orano pour se concentrer sur l’alimentation de la prochaine génération d’énergie nucléaire innovante et propre au Canada », a déclaré Amir Vexler, PDG d’Orano USA. « Notre équipe nord-américaine est fière de jouer un rôle essentiel dans l’établissement de cette connexion et la réalisation de l’accord. »
« Les exigences des exploitants des centrales pour l’approvisionnement en combustible s’étendent au-delà de l’enrichissement de l’uranium à une gamme de services essentiels qui, ensemble, assurent un approvisionnement sécurisé en combustible du réacteur jusqu’à la porte de la centrale », a déclaré Simon Irish, PDG de Terrestrial Energy. « Le champ d’application de notre accord couvre toute la gamme de l’enrichissement, la production, avec ses éléments de transport, y compris l’emballage et la logistique, pour un approvisionnement commercial complet. Cette gamme de services est essentielle pour l’exploitation des premières centrales IMSR dès 2028. »
Le combustible IMSR utilise un dosage standard d’uranium faiblement enrichi (UFE), qui est devenu la norme de combustible commercial au cours de nombreuses décennies d’exploitation des centrales électriques. À l’exception des centrales CANDU (qui utilisent de l’uranium non enrichi), les centrales nucléaires commerciales du monde entier utilisent aujourd’hui l’UFE à dosage standard.
Terrestrial Energy a présenté le 14 septembre sa nouvelle centrale électrique IMSR400, qui se compose de réacteurs et de générateurs jumeaux pour produire 390 MW d’électricité propre sur un site. L’IMSR400 est l’une des trois conceptions de centrales électriques à petit réacteur modulaire (SMR) à l’étude pour un déploiement à la centrale nucléaire de Darlington d’Ontario Power Generation. C’est l’un des deux candidats technologiques de génération IV et le seul candidat technologique canadien. L’entreprise Terrestrial Energy à Oakville représente le plus grand projet de développement technologique de centrale électrique SMR au Canada.
Le trajet a commencé le 28 novembre. La cuve pour le réacteur à sels fondus prototype TMSR-LF1 a été fabriquée et assemblée par SENPEC à Shanghai, et après une inspection finale minutieuse la cargaison précieuse a démarré en douceur son parcours de 2500km pour rejoindre le site du projet au nord de Wuwei dans la province de Gansu.
Avec un diamètre de 2,37m et une hauteur d’environ 3,5m, la cuve et le couvercle qui l’accompagne accueilleront un cœur avec un modérateur en graphite pour assurer un fonctionnement dans le spectre thermique, une boucle primaire de sels fluorures fondus, un échangeur et une pompe – une configuration similaire au réacteur prototype MSRE qui a fonctionné avec succès au laboratoire d’Oak Ridge aux États-Unis entre 1965 et 1969.
Le bâtiment réacteur pour lequel cette cuve est destinée a fait l’objet d’une première coulée de béton le 29 mars de cette année. La construction a été suivie de près par l’autorité de sureté nucléaire chinoise – la NNSA, avec des rapports réguliers publiés sur leur site web. On voit la construction de tous les bâtiments du campus TMSR depuis l’espace dans la vidéo suivante :
Avec une cible de démarrer ce premier réacteur de 2MW en mars 2021, la Chine est en trajectoire pour devenir un leader dans la course à la commercialisation des réacteurs nucléaires à combustible liquide.
Comme l’a dit Cédric Villani, « on est dans le cœur du métier ».
Une question fondamentale.
Pour l’avenir de l’énergie nucléaire, faut-il privilégier des solutions avec la meilleure sûreté intrinsèque ? Ou celles avec le meilleur retour d’expérience ?
Le 24 mai à l’Assemblée nationale lors d’une audition publique de l’Office Parlementaire d’Évaluation des Choix Scientifiques et Technologiques (OPECST), Elsa Merle, enseignante chercheur au CNRS, a été auditionnée sur la technologie des réacteurs à sels fondus et le projet MSFR.
Les parlementaires de l’OPECST ont été informés de l’excellent niveau de sûreté intrinsèque des réacteurs à sels fondus, ainsi que leur flexibilité en suivi de charge et leur capacité à incinérer les déchets à vie longue.
Cet événement est couvert par un article (avec vidéos) de la nouvelle association Progrès Nucléaire.
Donc le présent article ne reviendra pas sur la présentation d’Elsa Merle. Il sera question ici de l’intervention dans cette même audition du président de l’Autorité de Sûreté Nucléaire, monsieur Pierre-Franck Chevet :
Dans son dernier point, monsieur Chevet a parlé des arbitrages entre innovation et sûreté. Voici la transcription de son intervention :
« Dernier point, et c’était évoqué dans une des tables rondes : sur les arbitrages entre innovation et sûreté. Je prends un exemple sur la génération 4. Je souscris au choix qui a été fait en tout cas par la France parmi l’ensemble des réacteurs proposés dans la génération 4 de plutôt aller explorer les « fast breeder », les réacteurs à neutrons rapides. Pour un raison tout à fait simple : même si d’autres réacteurs ont des caractéristiques intrinsèques de sûreté peut-être meilleurs (potentiellement en tout cas), nous pensons que de manière pratique, le savoir-faire acquis sur les réacteurs à neutrons rapides en France sera plutôt un gage de sûreté à la fin. Encore une fois il y a une très grande différence entre un design théorique qui peut apparaître extraordinairement séduisant pour plusieurs raisons, y compris en termes de sûreté, et de manière pratique les problèmes de réalisation. Par exemple sur un certain nombre des réacteurs de génération IV, certains travaillent à très haute température. La question de la qualification des matériaux à très haute température est une vraie question scientifique, mais c’est à terme une vraie question de sûreté de savoir si tout ça résiste bien, et dans la durée, aux sollicitations extrêmes qu’on envisage. »
Dans la conception d’un système, face à un danger dans son exploitation, la stratégie la plus efficace est l’élimination de ce danger dans la conception du système – la case bleue dans le schéma ci-après :
Depuis plus de 30 ans, la réponse aux accidents et incidents survenus avec les réacteurs à eau pressurisée (REP) a été surtout d’ajouter des mesures d’ingénierie et des mesures administratives, et même des équipements de protection individuels (EPI) : les cases jaune, orange et rouge. L’inertie autour des REP nous a empêché de travailler sur des concepts plus efficaces qui éliminent les dangers de cette technologie.
Le REX est roi ?
Il est par définition impossible pour un concept de réacteur à combustible solide de profiter des avantages de sûreté qui sont intrinsèques aux combustibles liquides.
Alors qu’il est par définition possible pour un concept de réacteur à combustible liquide d’obtenir un niveau de retour d’expérience (REX) comparable aux réacteurs qui ont été exploités dans un contexte industriel.
Obtenir ce retour d’expérience est une question de temps et d’argent, et donc d’engagement politique. La Chine s’est organisée pour obtenir ce retour d’expérience. Elle annonce que leur premier réacteur à sels fondus prototype va démarrer en décembre 2020 :
Aux Etats-Unis, la loi a été changée pour obliger la Commission de réglementation nucléaire (NRC) à se restructurer afin d’être prête à affecter des licences d’exploitation à des entreprises proposant des réacteurs avancés.
On peut comprendre que notre gendarme nucléaire ait peur, mais espérons que dans les réflexions autour de cette question fondamentale de REX vs sûreté intrinsèque on commencera bientôt à voir un début de la sagesse.
A l’assemblée nationale, lors de la 2ème séance publique du 22 février 2018 (questions sur la stratégie de sortie du nucléaire), Benoit Potterie, député de la huitième conscription du Pas-de-Calais, a posé une question sur les réacteurs à sels fondus et le thorium à Nicolas Hulot, ministre d’État, ministre de la transition écologique et solidaire :
Ci-après, la transcription de cet échange :
M. Benoit Potterie.
Le Gouvernement a annoncé un ensemble de mesures visant à préparer la sortie du nucléaire. Dans un contexte de croissance exponentielle des besoins énergétiques mondiaux, nous devons trouver et développer de nouvelles sources d’énergie.
Ma question concerne une source d’énergie peu connue, mais dont on parle de plus en plus dans les médias spécialisés : le thorium, et plus précisément, son utilisation dans des réacteurs nucléaires à sels fondus.
On connaît le thorium depuis le XIXe siècle. Marie Curie avait identifié ses propriétés radioactives en 1898. Pour différentes raisons, les États et les industriels ont privilégié les réacteurs à uranium. Mais aujourd’hui, le risque nucléaire et les traumatismes de Tchernobyl et Fukushima, ainsi que la complexité de la gestion des déchets nucléaires, nous incitent à nous détourner de l’uranium.
Selon Daniel Heuer, directeur de recherches au CNRS, les réacteurs à sels fondus utilisant le thorium seraient moins dangereux et moins sales que les réacteurs actuels, avec un rendement plus important. Cette technologie, vous en conviendrez, est très prometteuse. Elle l’est d’autant plus pour la France que notre pays possède du thorium en grande quantité. Un récent article, que je pourrai vous transmettre, affirme que nous en aurions suffisamment pour couvrir nos besoins énergétiques pendant deux siècles.
Le gouvernement chinois finance actuellement un projet de réacteurs à sels fondus dans le désert de Gobi, et les Pays-Bas ont développé un programme de recherche sur le sujet à Petten.
Je me permets donc de déplacer le débat de la sortie du nucléaire vers le recours à une technologie nucléaire plus propre – un nucléaire vert, en quelque sorte.
Bien sûr, la technologie des réacteurs à sels fondus ne fait pas l’unanimité dans la communauté scientifique. C’est pourquoi des phases de recherche et d’expérimentation sont nécessaires.
Ma question est donc la suivante : le Gouvernement entend-il, à moyen ou à court terme, renforcer la recherche dans ce domaine ?
Si ce que vous dites est totalement fondé, il faudrait alors construire une filière nouvelle, car la filière actuelle ne peut pas intégrer cette technologie.
Étant convaincu que la diversité des énergies renouvelables permettra de répondre largement à nos besoins énergétiques, je ne pense pas que ce soit la peine de s’engager dans cette voie.
Au-delà, les réacteurs à sels fondus utilisant du thorium pour la production d’électricité nucléaire présentent, vous l’avez dit, des avantages certains, notamment en raison de l’abondance de la ressource en thorium, de la facilité offerte d’un retraitement en continu du combustible liquide et d’une moindre production de déchets. Cela dit, ils présentent aussi des inconvénients en termes de démonstration de sûreté et en raison de l’impossibilité d’amorcer un cycle thorium sans disposer d’uranium 235 ou de plutonium, dans la mesure où le thorium n’est pas un matériau fissile.
En outre, la faisabilité industrielle d’un réacteur de puissance n’est pas démontrée, et les études demeurent jusqu’à présent, il faut bien le reconnaître, très conceptuelles. Comme vous l’avez évoqué, des expérimentations ont bien eu lieu dans les années 1950 aux États-Unis, mais la possibilité de passer à un réacteur de puissance n’a jamais été établie. Enfin, il n’existe pas d’étude comparative suffisamment étayée pour pouvoir juger de l’attractivité économique d’une telle source d’énergie.
En l’absence d’identification de bénéfices déterminants qui seraient apportés par le cycle thorium, mais aussi parce que la France dispose, je le répète, d’une réserve importante d’uranium appauvri qui pourrait permettre, le cas échéant, d’alimenter des réacteurs à neutrons rapides à combustible solide, dont la maturité technologique est bien plus élevée que celle des réacteurs fonctionnant sur le cycle thorium, l’opportunité de changer de cycle de combustible nucléaire à court terme n’est, de mon point de vue, pas démontrée.
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.
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 sûreté 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 sûreté 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 sûreté 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 sûreté 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 :
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.
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.
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 :
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.
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.
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.
Dans tous les réacteurs nucléaires, la chaleur est générée de deux manières :
La fission de noyaux lourds d’atomes, qui génère deux atomes plus petits appelés produits de fission (environ 89% de la chaleur produite)
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.
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 :
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.
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 sûreté !
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 sûreté 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.
Comment innover dans l’énergie nucléaire en France ?
Le thème pour la journée technique organisée par la Société Française d’Energie Nucléaire vendredi 1 décembre était la « place et évolution de l’énergie nucléaire dans le futur« . Quels sont les alternatifs aux grands Réacteurs à Eau Pressurisée comme l’EPR (ou EPR-NM) ?
La journée comprenait des présentations sur les trois technologies suivantes :
EDF a dévoilé des informations techniques sur leur petit réacteur modulaire (Small Modular Reactor – SMR). Avec une architecture intégrée et compacte, chaque réacteur aurait une puissance de 170 mégawatts électriques, logé dans une enceinte métallique de hauteur 15m et immergée dans un bassin d’eau pour assurer une sécurité passive. D’autres avantages seraient apportés par un bâtiment réacteur semi-enterré couvert par un tumulus de terre, contenant 4 réacteurs et permettant de mutualiser des ressources comme le bassin d’eau ou la salle de commande.
Cette technologie fait désormais l’objet d’un avant-projet sommaire chez EDF, en partenariat avec le CEA, Naval groupe et Technicatome, qui doit déboucher dans 3 ou 4 ans sur une décision d’engager … ou non … son développement.
Mais le problème des petits réacteurs modulaires, c’est qu’ils sont petits.
Certes, la maîtrise française de la conception et l’exploitation des réacteurs à eau pressurisée permettra de développer cette technologie dans les années 2020, pour une commercialisation vers 2030. Certes, un petit réacteur modulaire sera moins cher que ses gros cousins qui constituent actuellement le parc français. Mais comme il sera environ 10 fois moins puissant qu’un EPR, pas sûr que les leviers économiques des petits réacteurs compensent la perte de valeur de cet effet d’échelle ! En tout cas, les experts économiques de l’I-tésé (Institut de Technico-Economiedes Systèmes Energétiques) au CEA suivent l’affaire avec intérêt.
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Ensuite il y a ASTRID, le projet pour un démonstrateur de Réacteur à Neutrons Rapides au sodium (RNR-Na) développé par le CEA. Cette filière a l’avantage de présenter beaucoup de valeur : utilisation du stock français d’Uranium appauvri, fermeture du cycle de combustible, surgénération … avec les RNR sodium, l’énergie nucléaire serait assurée pendant des millénaires !
Dans l’avant-projet en cours, mené par un consortium d’entreprises françaises et internationales avec environ 600 personnes, il y a des discussions avec l’Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire (IRSN), mais pas encore d’engagement formel avec l’Autorité de Sûreté Nucléaire (ASN). Cet avant-projet doit déboucher en 2019 sur une décision par les tutelles du CEA d’engager … ou non … le développement d’ASTRID.
Mais le problème des RNR sodium, c’est qu’ils sont chers.
Certes, la valeur offerte par cette filière est séduisante. Certes, la France maîtrise la technologie, ayant construit les réacteurs Rapsodie, Phénix et Superphénix, et elle a un grand retour d’expérience. Mais utiliser un caloporteur sodium avec un combustible solide, même si le danger de la pression est éliminé, présente un danger de réactivité chimique. Les inconvénients de ce concept sont identifiés et il est possible d’y remédier, mais les études économiques de l’I-tésé et d’autres sont claires : le principal enjeu de cette technologie est son coût.
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Enfin, le concept de réacteur à sels fondus MSFR développé par le CNRS, qui se décline désormais en deux versions – un grand réacteur d’un Gigawatt, et un petit réacteur modulaire d’une puissance entre 100 et 300 Mégawatts. Les avantages de sûreté intrinsèques d’un combustible liquide avec des sels fondus chimiquement stables sont démontrés par les études de la petite équipe du CNRS, et apportent à la fois de la valeur et la possibilité d’une rupture dans le coût de l’énergie nucléaire.
Il est déjà appréciable que la SFEN ait accepté d’inclure une présentation sur cette technologie dans leur journée technique. Le sujet est désormais incontournable dans toute discussion de la place et évolution de l’énergie nucléaire dans le futur, avec un intérêt international grandissant et le foisonnement d’entreprises start-up.
Pour les réacteurs à sels fondus, le temps est-il vraiment un problème ?
Quand le CEA parle des réacteurs à sels fondus, on pourrait conclure que les développements ne sont pas pour demain :
C’est un concept très innovant
Aucune construction d’un réacteur même prototype n’est actuellement lancée
Demanderait un processus de certification qui ne serait pas simple
Un certain nombre de difficultés techniques à résoudre en particulier dans le domaine de la chimie
Par contre c’est intéressant comme concept
Mais le CEA n’est pas un spécialiste dans ce domaine, ayant abandonné leur travail sur la technologie en 1983 en faveur des RNR sodium. Malheureusement, les économistes de l’I-tésé n’ont jamais chiffré un réacteur à sels fondus.
Les spécialistes dans d’autres pays disent que la technologie peut être déployée dans les années 2020, avec des architectures simplifiées par rapport au concept MSFR français. Le 7 novembre, l’Académie des Sciences de Chine et la province du Gansu ont signé un accord de coopération nucléaire pour un projet de réacteur à sels fondus à base de thorium, et visent un premier prototype de 2 Mégawatts en 2020.
En France, la communauté politique se pose actuellement de sérieuses questions sur le nucléaire. Est-ce une énergie de transition ou une énergie du futur ?
Si les réacteurs à sels fondus peuvent répondre aux attentes des clients de l’énergie nucléaire en termes de valeur, de coût et de temps, il serait temps d’y consacrer beaucoup plus de ressources.
Le directeur général de Terrestrial Energy, Simon Irish, a déclaré: « L’achèvement de la phase 1 de l’examen de la conception de fournisseur – le premier réacteur avancé à le faire – est une réalisation historique. L’entreprise se positionne en précurseur dans un secteur technologique en croissance rapide. La centrale nucléaire IMSR est une technologie énergétique transformatrice qui prend un pas de plus vers l’objectif de faire une contribution majeure à la demande mondiale croissante d’énergie à faible coût, propre et fiable. »
La commercialisation d’une centrale nucléaire avancée telle que l’IMSR implique d’anticiper une série d’activités pour soutenir le déploiement, notamment l’engagement réglementaire et industriel, la sélection du site et le soutien du gouvernement. Terrestrial Energy a fait de grands progrès dans ces domaines importants:
Terrestrial Energy a été le premier fournisseur de réacteurs avancés à entrer dans le processus de réglementation au Canada, et il est maintenant le premier à faire évaluer sa conception.
Terrestrial Energy étudie la faisabilité d’un certain nombre de sites en Amérique du Nord, y compris les Laboratoires Nucléaires Canadiens à Chalk River, en Ontario, pour la construction de sa première centrale électrique commerciale.
«Les agences internationales de l’énergie reconnaissent que les énergies renouvelables intermittentes telles que l’éolien et le solaire ne peuvent pas répondre à toutes les exigences d’un système mondial d’énergie propre et conviennent que l’énergie nucléaire jouera un rôle crucial dans la satisfaction de nos futurs besoins énergétiques. Les réacteurs avancés offrent un ensemble de technologies nucléaires nouvelles et transformatrices avec zéro émissions, une application industrielle beaucoup plus grande, et qui rendent les centrales nucléaires plus économiques et plus faciles à financer.»
Fission Liquide 