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Vidéo : La Voiture Nucléaire
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Nucléaire : l’impératif de l’innovation
Hugh MacDiarmid est un homme avec une mission.
L’ex PDG d’Energie Atomique du Canada Limité est maintenant président du conseil d’administration de Terrestrial Energy, l’entreprise créée fin 2012 à Ottowa pour créer et commercialiser leur technologie de Réacteur à Sels Fondus Intégral (RSFI).
Le 24 septembre 2014, il a prononcé un discours au prestigieux Club économique du Canada, avec le titre « Nucléaire : l’impératif de l’innovation ».
(vidéo sous-titrée en français)
Il est intéressant de lister quelques phrases clés de la traduction française de ce discours :
- A Terrestrial Energy, je crois que nous avons quelque chose de spécial
- Nous sommes confrontés à une croissance toujours plus élevée de la demande d’énergie.
- L’innovation viendra sûrement et elle va créer une rupture.
- Nous pensons que cet avenir pourrait arriver plus tôt que prévu.
- Il n’y a pas assez de bonnes réponses dans la gamme existante de solutions d’approvisionnement.
- Le réacteur à sels fondus intégral, le RSFI, pourrait être l’une des réponses à cette insuffisance de l’offre
- C’est une opportunité formidable pour la communauté nucléaire au Canada.
- Qu’est-ce qu’un réacteur à sels fondus et comment c’est différent ? De façon générique, c’est un système de réacteur qui utilise un combustible liquide. C’est une différence fondamentale. Tous les autres utilisent un combustible solide.
- Il doit passer le test de la viabilité commerciale – et nous croyons que notre RSFI passe ce test.
- La valeur en capital est largement récupérée sur la durée de vie de sept ans que nous estimons pour l’unité cœur du RSFI.
- Nos estimations indiquent que le RSFI va démontrer un coût d’énergie sur durée de vie le plus bas de toute technologie connue, et par une certaine marge.
- Le RSFI sera une machine beaucoup moins chère à construire et à exploiter – point.
- Nous avons choisi le graphite comme modérateur.
- Le RSFI répond à la définition acceptée d’un petit réacteur modulaire.
- La consommation d’uranium par kilowatt-heure sera un sixième du nucléaire conventionnel.
- Pour nous, le combustible nucléaire usé est une source d’énergie intéressante.
- Le RSFI a une empreinte de déchets beaucoup plus petite, avec une durée relativement courte.
- La température de sortie plus élevée ouvre de nombreuses nouvelles applications industrielles qui ne sont pas viables pour le nucléaire classique. Nous pensons que le marché de la chaleur industrielle pourrait devenir encore plus grand pour le RSFI que la production d’électricité.
Il est également instructif de découvrir sur le site internet de Terrestrial Energy le calibre et le niveau d’expérience de l’équipe dirigeante de cette entreprise.
Alors, qui sera le premier dans la course à la fission liquide ? La Chine ? Le Canada ? Le Royaume-Uni ? Ou un autre ? Et quand verrons-nous cette technologie en Europe ?
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
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.
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.
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.
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.
Au Canada, un réacteur à sels fondus pour 2021
L’entreprise Terrestrial Energy Inc. (TEI) a été fondée fin 2012. Avec son siège dans l’Ontario, Canada, elle a comme mission de développer un réacteur à sels fondus opérationnel de démonstration à une échelle commerciale pour 2021 – entièrement sous licence et prêt pour un déploiement commercial important.
Terrestrial Energy a été créé autour de David Leblanc (centre) et son portfolio de propriété intellectuelle. D’en haut à gauche : Louis Plowden-Wardlaw, Hugh MacDiarmid, Simon Irish, Canon Bryan, Paul McIntosh, John Kutsch, Bryan Mercer, Chris Popoff
TEI a annoncé lundi 31 mars que l’entreprise a clôturé avec succès son dernier tour de financement du capital d’amorçage, et que ce tour a été sursouscrit. Elle a également annoncé la nomination de Hugh MacDiarmid en tant que président du conseil d’administration. M. MacDiarmid a accumulé une vaste expérience de direction dans de grandes entreprises comme Énergie atomique du Canada limitée, où il a servi en tant que PDG de 2008 à 2011.
Le réacteur à sels fondus intégral de TEI est une conception petite et modulaire, avec des modèles allant de 29 MWe à 290 MWe – parfaitement adaptés pour les collectivités éloignées et les activités industrielles, y compris la fourniture d’énergie par réseau électrique ou hors-réseau.
La technologie des réacteurs à sels fondus représente une révolution dans la sécurité nucléaire, la gestion des déchets, la résistance à la prolifération et la compétitivité du coût de l’énergie.
Le Canada présente un environnement légal et politique favorable pour l’entreprise, pour le développement, l’obtention de licences et le marketing d’un réacteur à sels fondus. Le conseil d’administration de TEI est composé de dirigeants des secteurs des sables bitumineux, des mines et de la finance.
L’entreprise a désormais le financement nécessaire pour progresser à la prochaine phase de conception amont, comme prévu. Le développement est prévu en 3 étapes:
i) Démarrage : Production d’un rapport de pré-concept.
ii) Production d’un rapport de design conceptuel.
iii) Construction et obention d’une licence. Développement commercial.
Ces 3 étapes doivent se terminer en 2021. Une phase de commercialisation de le technologie s’en suivra.
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.
La 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.
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.
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.
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.
Avec 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
Arrêtez de concevoir des réacteurs !
Leó Szilárd était physicien. Le 12 septembre 1933, il a eu une idée remarquable : la réaction en chaîne nucléaire. Enrico Fermi était physicien aussi. Il a dirigé une équipe qui a conçu et construit le premier réacteur nucléaire dont la criticité a été atteinte le 2 décembre 1942. Les accomplissements intellectuels stupéfiants de ces hommes et de beaucoup d’autres physiciens ont fait entrer l’humanité dans l’ère nucléaire.
Le projet Manhattan a jeté les bases de la philosophie de conception pour la première époque de cette ère nucléaire. Les physiciens ont élaboré et prouvé mathématiquement la nouvelle science fascinante de la neutronique, et ainsi ils devinrent les concepteurs des premières bombes nucléaires. Une armée de personnes d’autres disciplines scientifiques et techniques a travaillé pour fournir les matériaux pour les construire; les bombes ont fonctionné, et la Seconde Guerre mondiale a pris fin. Les physiciens étaient des héros.
Cette philosophie de conception ‘gagnante’ a ensuite été appliquée à l’utilisation pacifique de la fission nucléaire pour la production d’énergie. Les physiciens allaient concevoir le réacteur; les autres métiers allaient concevoir un système d’énergie nucléaire autour de ce réacteur.
Dans la première époque nucléaire, la fission, c’est la physique.
Le champion de la première époque nucléaire est le Physicien de Réacteur.
Le système d’énergie nucléaire comprend toutes les activités, l’équipement, les métiers et les ressources associés à la production d’énergie nucléaire. Par exemple : l’extraction, le broyage, le transport, l’enrichissement, la fabrication du combustible, la fabrication des installations, l’irradiation, la conversion d’énergie, l’entretien, le retraitement, l’isolement géologique, soit tout ce qui se passe entre le moment où le combustible est déterré et le moment où les déchets n’ont plus de radioactivité significative.
On pensait que la densité d’énergie énorme de l’uranium – environ 1 million de fois supérieure à celle des combustibles fossiles – serait suffisante pour assurer que l’énergie nucléaire devienne le principal moyen de production d’énergie sous quelques décennies, même si le concept de réacteur qui a été choisi pour le déploiement a donné lieu à un système d’énergie qui n’était pas en fait très efficace, ou sûr, ou propre, ou durable, ou bon marché …
Dans de nombreux pays, les systèmes d’énergie nucléaire ont été imposés à la population par les gouvernements. L’énergie électrique générée a apporté d’énormes avantages, mais les critiques publiques ont été largement ignorées, la communication a été très mauvaise, et la méfiance a grandi, alimentée par les groupes environnementaux et les lobbies des combustibles fossiles.
Aujourd’hui, 435 centrales nucléaires fournissent environ 11% de l’électricité mondiale, mais les progrès ont décroché à un moment où, plus que jamais, le monde a besoin d’énergie abondante sans émission de gaz à effet de serre.
L’échec de la première époque nucléaire est sa philosophie de conception.
Dans un monde qui est largement, et de plus en plus, démocratique et axé sur le marché, se préoccuper d’abord de la technologie et seulement ensuite des besoins clients est une stratégie défectueuse. Les gens veulent consommer une énergie qui est fiable, bon marché, sûre, durable et propre. Il est essentiel de commencer par une compréhension profonde et fondamentale de ces besoins clients avant même de commencer à réfléchir à la façon d’y répondre.
Depuis plus de 60 ans, nous concevons la mauvaise chose. Pour entrer dans la deuxième époque de l’ère nucléaire, un changement de paradigme est nécessaire. Nous devons arrêter de concevoir des réacteurs, et réfléchir en premier lieu à la conception du système d’énergie nucléaire dans son ensemble. Evidemment, ces systèmes auront un réacteur nucléaire en tant que composant très important. Mais la preuve d’améliorations importantes dans tous les domaines des besoins clients est un prérequis à la conception détaillée du réacteur. Agir différemment est un gaspillage de ressources scientifiques et techniques.
La récente conférence internationale ThEC13 sur l’énergie du thorium au CERN à Genève a examiné trois approches pour extraire l’énergie du thorium :
Concernant les systèmes pilotés par accélérateur, on a longuement discuté des avantages potentiels de la conception de réacteurs plus sûrs, durables et propres. Mais en choisissant d’ignorer le coût et la fiabilité, les physiciens qui travaillent sur ces concepts de réacteurs semblent perpétuer les échecs de la première époque nucléaire.
Dans un système d’énergie nucléaire, de nombreux métiers différents sont impliqués. La conception d’un système efficace nécessite donc une approche multidisciplinaire. D’importantes synergies sont possibles grâce à une étroite collaboration entre experts.
Dans la deuxième époque nucléaire, la fission sera repositionnée à l’interface entre la physique et la chimie.
Le champion de la deuxième époque nucléaire sera l’Architecte de Système d’Énergie Nucléaire.
Ce message sera sans doute peu apprécié par les physiciens, dont les contributions ont, après tout, été au cœur de progrès énormes pour l’humanité dans la première époque nucléaire. Mais au XXIème siècle, la lutte contre le changement climatique et la pauvreté énergétique pourrait bien dépendre de la volonté de la communauté des physiciens de partager la fission nucléaire avec d’autres métiers.
Images : Wikipédia, EDF
Une version de cet article en anglais est disponible ici.
La Chine maintient le cap vers la fission liquide
Lundi 28/10/2013, dans une présentation à la conférence internationale ThEC13 au CERN, Hongjie Xu de l’Institut de Physique Appliquée de Shanghai (SINAP) a confirmé que la Chine poursuit son programme de recherche et développement de réacteurs nucléaires à sels fondus utilisant le thorium comme combustible.
Comme annoncé sur ce blog l’année dernière, le programme chinois regroupe 400 personnes. Avec un age moyen de 31 ans, ce groupe représente un investissement long-terme dans le futur de l’industrie nucléaire chinoise. Le budget est actuellement de 400 millions de dollars, mais Monsieur Xu a déclaré à la conférence qu’il va bientôt demander au gouvernement chinois d’allouer un budget supplémentaire de 2 milliards de dollars pour les prochaines phases du programme.
Un projet est un rêve avec un budget et un planning. Voici le planning chinois (traduit en français) :
Deux technologies sont en développement : la première à base de combustible solide TRISO dans des réacteurs à lit de boulets, et la deuxième avec des combustibles liquides aux sels fondus. Mais le programme chinois ne s’arrête pas aux réacteurs pour produire de l’électricité. Il couvre aussi :
- La conversion de l’énergie nucléaire en combustibles liquides tel que le méthanol.
- La production d’hydrogène nucléaire.
- L’extraction des gaz de schiste / sables bitumineux et la conversion en gaz / pétrole.
- Le refroidissement des réacteurs sans eau (qui est une ressource de plus en plus rare en Chine).
- L’étude de réacteurs à sels fondus petits et modulaires, pour une production en masse moins chère et plus fiable.
La présentation de Hongjie Xu est disponible ici. A quand un programme européen pour concurrencer ce programme chinois visionnaire ?
Photo : John Laurie
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.
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.
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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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 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.
En Allemagne, un réacteur nucléaire disparait
Les inventeurs du « réacteur à deux fluides » sont encore sous le choc.
Une équipe à l’Institut de Berlin de physique nucléaire (IFK) a développé une nouvelle variante dans la famille grandissante des réacteurs à sels fondus, avec un coeur qui combine un combustible liquide composé de sels fluorés avec un refroidissement au plomb. Ce concept, comme d’autres systèmes d’énergie nucléaire à combustible liquide, promet des bénéfices environnementaux considérables comme la réduction du volume et de la radiotoxicité des déchets, une utilisation durable des ressources, un rendement énergétique amélioré et une sécurité intrinsèque. Il porte le nom anglais « Dual-Fluid Reactor (DFR) et a été présenté à la conférence de l’Agence International de l’Energie Atomique (IAEA) sur les réacteurs rapides et cycles de combustibles associés à Paris du 4 au 7 mars 2013, sous la forme d’une vidéo Youtube :
Fort de ce succès, le 31 mars 2013 les berlinois ont soumis leur proposition, en conformité avec les règles de participation, pour les « GreenTec Awards« , la plus grande compétition environnementale d’Europe.
Les règles de la compétition étaient claires : dans chaque catégorie, deux nominés pour la finale étaient choisis par un jury, et un troisième par un vote du public en ligne. Le réacteur à deux fluides faisait partie de la catégorie « Prix de connaissances Galileo »
Le concept de réacteur berlinois a remporté de loin le vote en ligne pour sa catégorie le 10 mai, et le jury, composé d’environ 50 membres, s’est réuni le 4 juin afin de déterminer les gagnants de chaque catégorie parmi les nominés.
Le 7 juin l’équipe de l’IFK a été informée par courriel que leur entrée avait été exclue de la compétition et que l’équipe ne figurait plus sur la liste des candidats. Cette décision :
« …est basée sur une discussion scientifique détaillée et un examen en profondeur des aspects scientifiques, sociaux et de communication de votre proposition à la lumière des objectifs des prix. »
Au même moment, les règles de la compétition ont été modifiées pour ajouter la phrase suivante :
« La sélection finale des nominés et des gagnants se fera de manière indépendante par le Jury des Prix GreenTec. Sa décision est définitive. »
Evidemment, les réactions dans les blogs allemands et dans les médias sociaux ont été vives, non seulement les personnes qui ont soutenu ou voté pour ce concept, mais également ceux qui pensent que changer les règles en cours de route n’est pas très démocratique.
En Allemagne l’idéologie serait-elle plus importante que la technologie ?
Article inspiré par celui de Rainer Klute.
La réserve française de thorium
La France possède assez de thorium pour fournir ses besoins en électricité pendant 190 ans.
L’autorité de sûreté nucléaire française (ASN) a publié le 25 avril 2013 la version 2013-2015 du plan national de gestion des matières et déchets radioactives (PNGMDR).
Le Rapport complet est un document de 229 pages. Sur la page 76, on retrouve un tableau de synthèse des matières valorisables, qui donne les quantités que possède la France et le statut de la valorisation associée.
Sur la page 79, il y a un paragraphe sur le thorium :
AREVA, le CEA et Rhodia sont propriétaires d’environ 8 500 tonnes de thorium, sous forme de nitrate et d’hydroxyde. Ces matières sont entreposées sur les sites de La Rochelle (environ 6 200 tonnes) et de Cadarache (environ 2 300 tonnes).
En effet dans les années 60 à Cadarache, il y avait une exploitation de minerai urano-thoranite pour extraire de l’uranium. L’uranium a été valorisé et le thorium a été laissé en sous-produit.
A La Rochelle dans les années 70, Rhodia a commencé le traitement d’un minerai monazite, avec un contenu en thorium de 6 à 7%, pour extraire les matières terres rares. Ces métaux ont une importance stratégique pour l’économie mondiale, le marché étant controlé presque exclusivement par la Chine. Le traitement a continué jusqu’à 1994, date de fin d’exploitation de la monazite à La Rochelle.
Le thorium est un élément fertile avec une densité d’énergie énorme, qui a une abondance dans la croûte terrestre équivalente au plomb. Il est converti en uranium 233 par l’absorption d’un neutron. La fission d’un seul atome d’uranium 233 produit 200,1 Méga électron Volts (MeV). Mais ce n’est pas au thorium en soi auquel il faut s’intéresser si on veut exploiter cette énergie – après tout, la fission d’uranium 235 produit 202,5MeV, et celle du plutonium 239, 211,5MeV. Notre attention devrait se focaliser sur le système d’énergie nucléaire qui est souvent associé au cycle de combustible au thorium.
Le secret est dans l’état du combustible. Les réacteurs qui fonctionnent aujourd’hui utilisent tous un combustible solide, et ils sont très, très inefficaces. Avec un combustible LIQUIDE, presque 100% de la matière peut être transformée pour libérer de l’énergie.
Un réacteur à sels fondus fonctionne à pression ambiante, ce qui simplifie considérablement sa conception et réduit son coût. La haute température de fonctionnement permet de transformer entre 45 et 50% de l’énergie de fission en électricité, et l’état liquide permet d’extraire uniquement les produits de fission des sels, réduisant drastiquement les déchets en termes de quantité, durée de radiotoxicité et chaleur dégagée. Il est particulièrement bien adapté au cycle de combustible au thorium, et avec ce type de machine, on arrive à un rendement d’environ 1TeraWattHeure (Twh) d’électricité pour 91 kilogrammes de thorium.
En 2012 la France a consommé 489,5 Twh d’électricité. A ce niveau de consommation, les 8500 tonnes dans la réserve française pourraient fournir les besoins en électricité de la France pendant 190 ans. On n’aura pas besoin d’aller chercher le thorium par extraction minière pendant un moment ! Mais quand ce sera nécessaire, le coût et l’impact sur l’environnement seront négligeables.
Si l’humanité n’exploite pas cette énergie aujourd’hui, c’est parce que l’industrie nucléaire et les gouvernements mondiaux n’ont pas envie d’investir dans une technologie de rupture aussi radicalement différente que celles qui sont connues et maitrisées. Le chiffre des 190 ans restera une statistique intéressante tant que le système d’énergie nucléaire pour exploiter efficacement l’énergie du thorium n’est pas réalisé à l’échelle industrielle. Jamais une technologie pouvant apporter autant de bénéfices à autant de personnes n’a reçu aussi peu de financement.
Fission Liquide 