MSFR – suivi de charge et sûreté

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

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

Suivi de charge

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

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

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

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

Calcul neutronique et thermohydraulique

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

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

Suivi de charge

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

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A ceux qui influencent la politique environnementale mais s’opposent à l’énergie nucléaire

Quatre scientifiques mondialement reconnus pour leur travail sur le réchauffement climatique ont écrit, dimanche 3 novembre, une lettre ouverte aux leaders mondiaux pour demander le développement et le déploiement de systèmes d’énergie nucléaires plus sûrs.

Climatologues

Kerry Emanuel, James Hansen
Ken Caldeira, Tom Wigley

 

Voici la traduction française.

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A ceux qui influencent la politique environnementale mais s’opposent à l’énergie nucléaire :

En tant que scientifiques du climat et de l’énergie préoccupés par le changement climatique global, nous vous écrivons pour vous exhorter à plaider pour le développement et le déploiement de systèmes d’énergie nucléaire plus sûrs. Nous apprécions les préoccupations de votre organisation sur le réchauffement climatique, et votre plaidoyer en faveur de l’énergie renouvelable. Mais l’opposition continue à l’énergie nucléaire menace la capacité de l’humanité à éviter un changement climatique dangereux.

Nous appelons votre organisation à soutenir le développement et le déploiement de systèmes d’énergie nucléaires plus sûrs comme un moyen pratique d’aborder le problème du changement climatique. La demande mondiale d’énergie croît rapidement et doit continuer à croître pour répondre aux besoins des pays en développement. En même temps, la nécessité de réduire fortement les émissions de gaz à effet de serre devient de plus en plus claire. Nous ne pouvons augmenter l’approvisionnement en énergie tout en réduisant ces émissions que si les nouvelles centrales se détournent de l’utilisation de l’atmosphère comme un dépotoir à déchets.

Les énergies renouvelables comme l’éolien, le solaire et la biomasse vont certainement jouer un rôle dans une économie énergétique de l’avenir, mais ces sources d’énergie ne peuvent pas évoluer assez rapidement pour fournir une puissance fiable et pas chère à l’échelle exigée par l’économie mondiale. Bien qu’il soit théoriquement possible de stabiliser le climat sans l’énergie nucléaire, dans le monde réel, il n’y a pas de chemin crédible à la stabilisation du climat qui n’inclut pas un rôle important pour l’énergie nucléaire.

Nous comprenons que les centrales nucléaires d’aujourd’hui sont loin d’être parfaites. Heureusement, les systèmes de sécurité passifs et d’autres avancées peuvent rendre les nouvelles centrales beaucoup plus sûres. Et la technologie nucléaire moderne peut réduire les risques de prolifération et résoudre le problème d’élimination des déchets par l’incinération des déchets actuels et l’utilisation plus efficace du combustible. L’innovation et les économies d’échelle peuvent faire de nouvelles centrales moins chères que les existantes. Indépendamment de ces avantages, le nucléaire doit être encouragé sur la base de ses avantages pour la société.

Des analyses quantitatives montrent que les risques associés à une utilisation accrue de l’énergie nucléaire sont plus faibles par des ordres de grandeur que les risques associés aux combustibles fossiles. Aucun système d’énergie n’est sans inconvénient. Nous demandons seulement que les décisions sur les systèmes énergétiques soient fondées sur des faits, et non sur des émotions et des préjugés qui ne s’appliquent pas à la technologie nucléaire du 21ème siècle.

Même s’il n’y a pas de solution technologique miracle, le moment est venu pour ceux qui prennent au sérieux la menace du réchauffement climatique d’adopter le développement et le déploiement de systèmes d’énergie nucléaire plus sûrs comme une des technologies qui seront essentielles à tout effort crédible pour développer un système d’énergie qui ne repose pas sur l’utilisation de l’atmosphère comme un dépotoir à déchets.

Avec le réchauffement de la planète et l’augmentation plus rapide que jamais des émissions de dioxyde de carbone, nous ne pouvons pas tourner le dos à une technologie qui a le potentiel de remplacer une partie importante de nos émissions de carbone. Beaucoup de choses ont changé depuis les années 1970. Le temps est venu pour une nouvelle approche à l’énergie nucléaire au 21ème siècle.

Nous vous demandons et demandons à votre organisation de démontrer une préoccupation réelle pour les risques liés aux dégâts climatiques en appelant pour le développement et le déploiement de l’énergie nucléaire avancée.

Cordialement,

Dr. Ken Caldeira, scientifique principal, Département d’écologie globale, Carnegie Institution, USA

Dr Kerry Emanuel, scientifique atmosphérique, Massachusetts Institute of Technology, USA

Dr. James Hansen, climatologue, Columbia University Earth Institute, USA

Dr. Tom Wigley, climatologue, Université d’Adelaide, Australie & Centre National pour la Recherche Atmosphérique, USA

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Cette lettre est arrivée juste avant la diffusion jeudi 7 novembre du film Pandora’s Promise, de Robert Stone, sur la chaîne américaine CNN. La diffusion de ce film a été refusée par les grandes chaînes européennes – il sera disponible sur iTunes le 10 décembre.

Photos : Carnegie Institution, MIT club of Austin & San Antonio, Washington Postadelaidenow.com.au

Le nucléaire, filière d’avenir : tout le monde a raison !

Ca y est, le grand débat sur la transition énergétique a démarré, avec les propos d’Arnaud Montebourg sur BFMTV dimanche, qui a qualifié le nucléaire de « filière d’avenir« .

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Ses remarques sont-elles vraiment en opposition avec les promesses du président de la république? Tout dépend de l’interpretation du mot « RENOUVELABLE« .

Si une source d’énergie qui a le potentiel de fournir l’ensemble des besoins énergétiques de l’humanité pendant au moins 1000 ans est considérée comme étant renouvelable, et bien l’énergie du thorium, libérée par un réacteur à sels fondus est renouvelable. Ce n’est pas le cas des réacteurs actuels de génération deux et trois qui utilisent l’énergie de l’uranium de manière inefficace.

Vu de cette façon, monsieur Hollande, qui a promis aux français qu’il favoriserait « la montée en puissance des énergies renouvelables en soutenant la création et le développement de filières industrielles dans ce secteur. » a raison.

Et monsieur Montebourg qui dit que le nucléaire est une filière d’avenir a raison aussi !