Le réacteur à sels fondus intégral et les avantages d'avoir un réacteur à fission liquide

Bien que pour la plupart, le terme "réacteur à fission" évoque quelque chose de proche des réacteurs à eau légère (LWR) couramment exploités qui fonctionnent avec de l'eau ordinaire (H2O) comme liquide de refroidissement et avec des neutrons thermiques lents, il existe un nombre vertigineux d'autres conceptions possibles. Certains d'entre eux sont utilisés depuis des décennies, comme les réacteurs à eau lourde (D2O) du Canada (CANDU), tandis que d'autres commencent seulement à faire leur premier pas vers la commercialisation.

Il s'agit notamment de réacteurs à haute température refroidis à l'hélium comme le HTR-PM chinois, mais aussi d'un type relativement rare développé par Terrestrial Energy, appelé Integral Molten Salt Reactor (IMSR). Cette entreprise canadienne a récemment passé avec succès la phase 2 de l'examen préalable à l'autorisation des fournisseurs de la Commission canadienne de sûreté nucléaire (CCSN). Ce qui rend l'IMSR si intéressant, c'est que, comme son nom l'indique, il utilise des sels fondus : à la fois pour le liquide de refroidissement et le combustible à l'uranium faiblement enrichi, tout en produisant du combustible à partir d'isotopes fertiles qui laisseraient un LWR dans le cadre de son combustible usé.

Alors pourquoi voudriez-vous que votre combustible soit fluide plutôt qu'une pastille solide comme dans la plupart des réacteurs aujourd'hui ?

Même si de nombreux modèles de réacteurs nouvellement autorisés ou sur le point d'être autorisés dans les années 2020 semblent futuristes, pratiquement tous ont été conceptualisés sous une forme ou une autre avant les années 1960, et beaucoup ont fait construire des prototypes. Il en va de même pour les réacteurs à sels fondus (MSR), qui ont vu le Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) créer un certain nombre de prototypes, à partir de 1954, lorsque l'Aircraft Reactor Experiment (ARE) a atteint sa première criticité. ARE était une émanation du programme Aircraft Nuclear Propulsion (ANP) qui avait ses racines dans l'US Air Force, avant d'être transféré à la Commission de l'énergie atomique (AEC).

À partir de là, le projet s'est terminé à l'ORNL, où la conception originale du combustible solide a été transformée en un mélange sel fondu / combustible en raison de préoccupations concernant la stabilité de la réaction à haute température, que la conception MSR pourrait résoudre. Après l'annulation du programme ANP, les technologies MSR de l'ARE et les conceptions ultérieures ont été utilisées pour un projet purement civil : l'expérience du réacteur à sels fondus (MSRE).

Comme l'ARE, le MSRE utilisait du combustible en fusion, bien qu'avec une composition différente. ARE a utilisé 53,09 % en moles de NaF, 40,73 % en moles de ZrF4 et 6,18 % en moles d'UF4 pour son mélange sel/combustible, avec de l'uranium 235 comme matière fissile. Le modérateur de neutrons est également passé de l'oxyde de béryllium (BeO) dans l'ARE au graphite pyrolitique dans le MSRE.

MSRE a utilisé 7LiF – BeF2 – ZrF4 – UF4 (65 – 29,1 – 5-0,9 mole %) en suivant les enseignements tirés du mélange de sels ARE. Au départ, 33 % d'uranium 235 (enrichi) étaient utilisés dans son mélange caloporteur/combustible primaire, avant de passer à l'utilisation d'uranium 233 extrait du thorium dans les réacteurs surgénérateurs. Bien qu'il aurait été possible de configurer MSRE pour utiliser des sels de thorium pour produire son propre carburant, cela a été omis pour les expériences, avec à la place des mesures de neutrons effectuées. Cela touche cependant à l'un des avantages d'un MSR, en ce qu'il peut être un réacteur à neutrons rapides contrairement à un LWR modéré à l'eau, ce qui le rend capable de produire son propre combustible à partir d'isotopes fertiles, y compris les transuraniens et les actinides résultant du combustible d'uranium d'origine. L'autre avantage des MSR est qu'ils peuvent fonctionner à des températures très élevées (820 °C pour ARE, 650 °C pour MSRE) en raison de la stabilité thermique élevée et de la capacité calorifique du caloporteur, tout en ne nécessitant pas les pressions observées avec les réacteurs à eau légère sous pression (REP), qui présentent généralement une température de sortie d'environ 300 °C.

La température de fonctionnement détermine en fin de compte les processus et les turbines avec lesquels elle est compatible, car les processus industriels nécessitent souvent des températures bien supérieures à ce que les LWR peuvent fournir. Un MSR capable de fournir une source constante de chaleur> 600 ° C serait extrêmement pratique pour ces applications, tout en augmentant l'efficacité thermique de la production d'électricité via des turbines à vapeur.

Au cours de la durée de vie de cinq ans du MSRE, il a fourni des informations importantes sur le comportement des combustibles 235U et 233U, ainsi que sur la production et la manipulation du gaz xénon (un poison neutronique), la stabilité du modérateur de graphite et l'immunité du sel utilisé à tout type de rayonnement auquel il était exposé. Elle a également validé le nouvel alliage métallique développé à l'ORNL pour résister aux effets corrosifs du sel chaud, qui est un nickel-chrome-molybdène appelé Hastelloy N.

Lorsque le MSRE a été arrêté en 1969 pour démantèlement, une découverte inattendue était celle de la fragilisation du métal exposé au sel, qui remontait au tellure, l'un des produits de fission. Cette découverte a conduit à un ajustement de l'alliage Hastelloy N, pour contrecarrer ces effets. Pourtant, malgré ces succès, les États-Unis abandonneraient pratiquement tout développement ultérieur dans les MSR, bien que l'ORNL ait créé un certain nombre de conceptions de suivi.

L'utilisation de sels comme caloporteur se poursuivrait cependant dans le monde entier, principalement pour les réacteurs à neutrons rapides, des exemples tels que la série russe BN de réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium en étant un excellent exemple. Bien qu'ils utilisent du combustible solide, ils démontrent la viabilité de l'utilisation à long terme de sel chaud corrosif comme liquide de refroidissement, le BN-600 fonctionnant depuis 1980. L'EBR-II américain similaire a fonctionné de 1964 à 1994, y compris des urgences simulées comme un arrêt soudain à pleine puissance, démontrant la sécurité passive de ces réacteurs refroidis au sodium de type piscine, dont une grande partie s'applique également aux MSR.

L'IMSR de Terrestrial Energy est un MSR entièrement autonome, avec le sel fondu, les pompes, la boucle primaire et les modérateurs en graphite sont contenus dans ce que Terrestrial Energy appelle l'unité centrale IMSR. Une seule unité centrale produit 440 MW thermiques (MWth) avec une efficacité thermique revendiquée de 44 % lors de la génération d'énergie électrique, en raison de la température de sortie de 700 °C. Une centrale avec une configuration type à double unité centrale génère ainsi environ 390 MWe, la chaleur restante pouvant être utilisée à des fins de cogénération (par exemple, chauffage), bien que Terrestrial Energy envisage actuellement de dédier une seule unité principale à l'énergie thermique, soit 195 MWe et 440 MWth à partir d'une centrale double IMSR qui est également utilisée pour la chaleur de procédé, le stockage thermique, etc.

Ce qui est intéressant à propos de l'IMSR, c'est qu'il s'agit d'un réacteur de génération IV à spectre purement thermique, malgré l'utilisation de combustible à base de sels fondus. Ce combustible lui-même est de l'uranium faiblement enrichi (UFE) standard à <5% 235U, le même que celui utilisé dans pratiquement tous les réacteurs commerciaux utilisés aujourd'hui. Il n'y a pas de neutrons rapides utilisés pour produire du combustible à partir de produits de fission fertiles ou de sels de thorium - le modérateur en graphite modérant tous les neutrons rapides en neutrons thermiques - ce qui le rend très proche d'un LWR. Les avantages de l'utilisation de sel fondu ici proviennent principalement de la capacité thermique beaucoup plus élevée à pression ambiante, ainsi que du ravitaillement en ligne, chaque unité centrale devant fonctionner 24h/24 et 7j/7 pendant sept ans. Pendant ce temps, du combustible frais est progressivement ajouté à la boucle primaire pour maintenir la réactivité.

Une fois le temps de fonctionnement écoulé, l'ensemble de l'unité (scellée) est laissé refroidir pendant un certain temps avant d'être renvoyé à l'usine pour être recyclé. Cela signifie des exigences beaucoup moins strictes pour l'opérateur, car l'unité est essentiellement sans entretien, ce qui fait partie du pas de Terrestrial Energy vers la commercialisation. Un tel accent mis sur la simplicité de fonctionnement est populaire auprès des petits fabricants de réacteurs modulaires - y compris le BWRX-300 de GE-Hitachi, qui est un réacteur à eau bouillante (BWR) plus conventionnel de type LWR - mais aussi avec une gamme d'autres MSR à venir.

Peut-être sans surprise, l'IMSR n'est pas le seul MSR en ville aujourd'hui, avec quelques autres concurrents qui cherchent à commercialiser leurs propres conceptions au cours des prochaines années. Il s'agit notamment du Seaborg Compact Molten Salt Reactor (CMSR) danois, du Moltex Stable Salt Reactor (SSR) et d'un certain nombre de conceptions qui utilisent également du sel comme liquide de refroidissement, mais avec un combustible solide comme le TerraPower Natrium et le Kairos Power KP-FHR. Ce qui est également intéressant, c'est à quel point chaque conception est unique.

L'IMSR, par exemple, est conçu pour s'intégrer à un cycle de combustible à passage unique plus proche du LWR (suivant la conception MSR dénaturée de l'ORNL), juste beaucoup plus pratique, plus compact et avec des températures beaucoup plus élevées. Le CMSR quant à lui n'utilise pas de modérateur en graphite, mais de l'hydroxyde de sodium dans des tubes parallèles, ce qui rend la conception encore plus compacte et facilite le réglage de la modération des neutrons. Le SSR ne vise pas l'utilisation des seuls neutrons thermiques, mais également des neutrons rapides dans sa configuration SSR-W, pour 'wasteburner'. Cela utilise des barres de combustible liquide, suspendues dans une piscine de refroidissement au sel, qui utiliseraient des restes de retraitement du combustible usé (comme les actinides) pour son combustible, ainsi que du plutonium, du combustible MOX, etc., comme son nom l'indique.

Bien que les MSR aient le potentiel d'être ravitaillés en carburant en continu sans les arrêter, ce n'est pas encore une caractéristique de conception courante. Même ainsi, les MSR et les réacteurs à haute température similaires sont susceptibles de devenir un spectacle courant au cours des prochaines années, avec des types de réacteurs plus grands à l'échelle des LWR traditionnels (1+ GWe) une perspective intéressante, surtout s'ils sont exploités dans une configuration à neutrons rapides, capable d'utiliser à la fois le combustible usé des LWR et des isotopes fertiles comme le thorium.

Quelle que soit la configuration exacte, les MSR ont la caractéristique de sécurité intrinsèque d'un coefficient de température du combustible négatif, ce qui signifie que la réactivité du processus de fission est inversement liée à la température du caloporteur salin. Cela rend un MSR non seulement intrinsèquement résistant aux événements de haute réactivité, mais également au suivi de charge, car l'extraction de chaleur de la boucle de refroidissement secondaire a un impact immédiat sur la réactivité du cœur.

Il est difficile de croire que quelque soixante-dix ans se sont écoulés depuis le premier essai d'ARE, mais au fur et à mesure que cette décennie des dizaines de MSR entrent en service commercial, cela devrait être ressenti comme une validation pour les chercheurs de l'ORNL et leurs collègues pour tout le travail qu'ils ont consacré à faire fonctionner le sel fondu comme liquide de refroidissement du réacteur ainsi que comme combustible.

(Image d'entête : Centrale IMSR imaginée par Terrestrial Energy. (Crédit : Terrestrial Energy) )