Les réacteurs à sel fondu (RSM) sont de plus en plus reconnus comme l'une des technologies nucléaires les plus prometteuses, offrant une approche fondamentalement différente de l'énergie de fission. En utilisant du combustible liquide plutôt que des assemblages de combustibles solides, les RSM peuvent fonctionner à des températures plus élevées, à des pressions plus faibles et avec un traitement continu du combustible – des caractéristiques qui améliorent collectivement la sûreté, l'efficacité et la gestion des déchets.

Qu'est-ce que les réacteurs au sel fondu?

Contrairement aux barres de combustible solides utilisées dans les réacteurs à eau légère classiques, les MSR dissolvent directement la matière fissile dans le sel, qui circule à travers le cœur du réacteur et les échangeurs de chaleur. La conception a été étudiée pour la première fois dans les années 1950 et 1960 au Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) aux États-Unis, où l'expérience du réacteur à sel fondu (MSRE) a fonctionné avec succès de 1965 à 1969. Le MSRE a démontré la viabilité du combustible liquide et du retraitement en ligne, générant plus de 9 000 heures d'exploitation sur 4 ans.

Les deux variantes partagent le concept de base de l'utilisation du sel liquide comme vecteur de combustible et de liquide de refroidissement. Le sel de combustible est généralement un mélange eutectique de lithium, de béryllium et de chlorures de zirconium, avec de l'uranium, du plutonium ou du thorium dissous comme combustible. Le point d'ébullition élevé des sels fondus (au-dessus de 1400 °C pour la plupart des sels de fluorure) permet au réacteur de fonctionner à pression ambiante, éliminant la nécessité de cuves à pression coûteuses et à parois épaisses et réduisant le risque d'accident de perte de liquide de refroidissement.

Comment fonctionnent les réacteurs de sel fondu

Dans un MSR thermique typique, le sel de combustible circule dans les canaux d'un noyau modérateur de graphite, où se produit la fission. Le graphite ralentit les neutrons vers les énergies thermiques, soutenant la réaction en chaîne. Le sel chauffé (habituellement autour de 650 à 700°C) sort du noyau et transfère sa chaleur dans un circuit de sel secondaire à travers un échangeur de chaleur. Le circuit de sel secondaire transfère ensuite la chaleur à un fluide de travail – souvent de vapeur ou de dioxyde de carbone supercritique – pour produire une turbine électrique. Une caractéristique opérationnelle clé est le traitement du combustible en ligne: un flux latéral du sel de combustible est retiré en permanence, purifié en supprimant les produits de fission et en ajoutant du combustible frais, et retourné au cœur.

La boucle primaire fonctionne à une pression atmosphérique proche car le point d'ébullition élevé du sel l'empêche de bouillir même à des températures élevées. Un bouchon de congélation, une section de sel qui est maintenue solide par refroidissement, agit comme un dispositif de sécurité passif : si le réacteur perd de l'énergie, le bouchon fond et le sel s'écoule dans des réservoirs de décharge subcritiques, arrêtant automatiquement la réaction.

Principaux avantages des réacteurs à sel fondu

Sécurité accrue

Le sel de combustible au fluorure fondu a un fort coefficient de réactivité négatif : le sel étant plus chaud, sa densité diminue, ce qui réduit le nombre de fissures et diminue naturellement la puissance du réacteur. L'absence de haute pression élimine la possibilité d'un rejet à grande échelle causé par un accident provoqué par la pression. En cas de panne de pompe ou de perte de puissance, le bouchon de congélation fond, drainant le combustible dans des réservoirs à décharge refroidis passivement, où la géométrie empêche la criticité.

Haute efficacité et températures plus élevées

Les MSR fonctionnent à des températures comprises entre 600°C et 800°C, contre environ 300°C pour les LWR. Cette température plus élevée améliore l'efficacité thermodynamique du cycle de puissance, permettant aux MSR d'atteindre une efficacité thermique de 40 à 50 % contre 33 à 37 % pour les LWR. La chaleur de haute qualité permet également des applications de cogénération telles que la production d'hydrogène (par électrolyse à haute température ou cycles thermochimiques), le dessalement de l'eau de mer et la chaleur industrielle de procédé pour les raffineries, les usines chimiques et la sidérurgie.

Réduction des déchets nucléaires de longue durée

Les MSR peuvent réduire considérablement le volume et la toxicité des déchets de haute activité. Comme les produits de fission peuvent être éliminés en continu, le réacteur peut brûler un pourcentage beaucoup plus élevé de son combustible, soit plus de 95 % dans certains modèles de spectre rapide, comparativement à environ 3 à 5 % dans les LWR. Cela signifie que les restes de matières sont moins importants dans l'ensemble et que ce qui reste est principalement des produits de fission à courte durée de vie qui se dégradent à des niveaux sûrs en centaines d'années plutôt que des centaines de milliers.

Souplesse et durabilité des carburants

Les MSR ne se limitent pas au combustible d'uranium, mais peuvent être alimentés en plutonium de qualité militaire, en combustible usé recyclé LWR ou en thorium, qui est beaucoup plus abondant que l'uranium. Le thorium est trois à quatre fois plus abondant dans la croûte terrestre que l'uranium et se trouve dans des pays comme l'Inde, l'Australie, le Brésil et les États-Unis. Un MSR peut être conçu comme un « reproducteur » utilisant le thorium, produisant plus d'uranium fissile 233 qu'il ne consomme, offrant ainsi un approvisionnement presque inépuisable en combustible avec un minimum de déchets.

Résistance à la prolifération

Par rapport aux cycles de combustible traditionnels, les MSR présentent certaines caractéristiques de résistance à la prolifération. Le traitement en ligne du combustible implique la manipulation du sel liquide, qui est plus difficile à détourner dans un programme d'armes que les assemblages de combustible solide. L'uranium-233 produit dans un cycle de thorium est contaminé par l'uranium-232, un émetteur gamma fort qui rend la manipulation et le traitement extrêmement dangereux, ce qui accroît la difficulté de l'armement.

Cycle du combustible thorium dans les RSM

Le cycle du thorium est particulièrement adapté aux MSRs, car le combustible liquide permet l'élimination continue du protactinium-233, qui se décompose en uranium-233, avec une demi-vie de 27 jours. Dans un réacteur à combustible solide, le protactinium-233 resterait dans le combustible et pourrait capturer un neutron, produisant du protactinium-234, qui se décompose en U-234, en extrayant le protactinium-233 du sel liquide avant qu'il ne se décompose, un MSR peut atteindre des rapports de reproduction élevés. L'uranium-233 résultant est ensuite réinjecté dans le noyau comme combustible, ce qui maintient la réaction avec un ajout minimal de nouveau thorium. Les déchets d'un MSR de thorium se composent principalement de produits de fission à demi-vie relativement courte; après 300 ans, sa radiotoxicité tombe sous celle du minerai de thorium original.

Alors que les premières expériences comme le MSRE utilisaient de l'uranium 235, l'accent actuel en Chine, en Inde et plusieurs entreprises privées est sur le cycle du thorium 233. Le projet TMSR-LF (Liquid Fuel) à Shanghai développe un thorium thermique MSR de 10 MW, avec un réacteur d'essai prévu d'ici 2030. L'Inde, avec ses réserves importantes de thorium, a un plan à long terme pour le développement de l'énergie nucléaire en trois étapes qui culmine dans les MSR du thorium.

Développements et projets clés actuels

Le développement de la RSM est désormais un effort mondial. L'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) suit plus de 100 projets liés à la RSM dans le monde entier, depuis les premières études de concepts jusqu'aux installations de démonstration commerciales.

  • Chine: L'Académie chinoise des sciences (CAS) exploite le programme TMSR, en mettant l'accent sur les combustibles liquides (TMSR-LF) et les combustibles solides (TMSR-SF). Une boucle d'essai de 2 MWth a été construite et le gouvernement prévoit de commander un réacteur pilote de 10 MWe d'ici à 2020. La Chine vise à utiliser les MSR pour la chaleur électrique et la chaleur de procédé, en exploitant les réserves de thorium.
  • États-Unis: Plusieurs entreprises ont des programmes importants. Kairos Power développe un réacteur à haute température refroidi au fluorure-sel (KP-FHR), qui utilise du combustible de galets solides mais du liquide de refroidissement par le sel fondu. En 2023, la Commission de réglementation nucléaire des États-Unis (CNRC) a approuvé le permis de construction du réacteur d'essai Hermes de Kairos à Oak Ridge, Tennessee. Énergie terrestre (Canada, mais avec l'autorisation des États-Unis) développe le réacteur intégré de sel fondu (RSI), un réacteur de 195 MWe conçu pour une durée de vie de base de 7 ans modulaire. Il fait l'objet d'un examen préalable à la délivrance de licences par la Commission canadienne de sûreté nucléaire (CCSN). Moltex Energy (UK/Canada) propose un réacteur de sel stable (SSR) qui utilise du sel statique dans les tubes.
  • Canada: Énergie terrestreLe RSM est le concept de RSM le plus avancé au Canada, et la CCSN a terminé la phase 1 de l'examen de la conception des fournisseurs. Moltex Energy poursuit également des activités d'agrément au Nouveau-Brunswick. Le gouvernement du Canada appuie activement le développement du RSM, y compris les RSM.
  • Danemark: Seaborg Technologies[ conçoit un réacteur à sel fondu compact (CMSR) à base d'unités flottantes montées sur barge. Leur conception utilise un traitement chimique à l'hydroxyde de sodium pour la capture du tritium. Copenhagen Atomics développe un MSR à eau lourde avec un noyau uniquement petit.
  • Royaume-Uni: Moltex Energy a développé le concept de SSR; le programme de R-D sur les réacteurs modulaires avancés (RMA) du gouvernement du Royaume-Uni comprend le soutien de MSR. Moltex possède également une filiale canadienne.
  • Japon, Russie et France:[ JaponLe projet FUJI MSR reste une collaboration de recherche. La Russie a un réacteur de recherche sur le sel fondu (ZhRC) et étudie les MSR pour la combustion du plutonium. FranceLe CNRS explore les concepts MSR pour la transmutation d'actinides mineurs.

Des informations supplémentaires sont disponibles sur la page de la MSR de l'Association Nucléaire Mondiale, la vue d'ensemble de la MSR de l'AIEA et des sites spécifiques au projet comme Énergie terrestre.

Défis liés au déploiement des MSR

Corrosion des matériaux

La combinaison de haute température, de rayonnement et de sel fondu chimiquement agressif impose des exigences extrêmes aux matériaux du réacteur. Hastelloy N, un superalliage à base de nickel développé à ORNL pour le MSRE, a montré une résistance à la corrosion adéquate pour les sels fluorés jusqu'à 700°C, mais pour les conceptions à spectre plus rapide utilisant des sels de chlorure, la dégradation des matériaux demeure un domaine de recherche important.

Chimie du sel et gestion des produits de fission

Les produits de fission comme le césium, l'iode et les métaux nobles peuvent être déposés sur les surfaces, ce qui entraîne des dépôts radioactifs qui compliquent l'entretien et la manutention des déchets. Le système de retraitement en ligne doit filtrer les produits de fission solides et gérer la production de tritium. Le tritium, un isotope radioactif de l'hydrogène, diffuse à haute température par les métaux et peut poser un risque de contamination; les conceptions doivent comporter des barrières de capture ou de perméation du tritium.

Problèmes réglementaires

Les organismes de réglementation (comme le CNRC aux États-Unis, la CCSN au Canada et l'ONR au Royaume-Uni) ont une expérience de plusieurs décennies des réacteurs à combustible liquide, mais ils ne connaissent pas bien les réacteurs à combustible liquide. Le CNRC n'a pas encore terminé de cadre de réglementation générique pour les réacteurs à combustible liquide, bien qu'il ait entamé des discussions. Les principaux enjeux réglementaires comprennent la définition des termes de source d'accident, la démonstration de la pertinence du confinement pour le combustible liquide et la garantie que le cycle unique du combustible ( retraitement en ligne) ne pose pas de risque de prolifération ou de sécurité.

Économie et viabilité commerciale

Les coûts de première nature (FOAK) sont généralement élevés en raison de matériaux spécialisés, de nouvelles chaînes d'approvisionnement et de longues licences. Le coût de l'électricité (LCOE) à un MSR est inconnu et dépendra de la réalisation d'économies de production, en particulier pour les petites conceptions modulaires. Cependant, les promoteurs soutiennent que les MSR peuvent être moins chers que les LWR à long terme en raison de systèmes de sécurité plus simples, d'une efficacité thermique accrue, de la flexibilité du carburant et du potentiel de cogénération.

Disponibilité du combustible et chaîne d'approvisionnement

Pour l'uranium faiblement enrichi (HALEU) ou le thorium, les chaînes d'approvisionnement existantes sont limitées. Le thorium n'est pas actuellement exploité comme produit primaire; il est un sous-produit de l'exploitation minière de terres rares. Cependant, le thorium est abondant et pourrait être traité pour une utilisation à partir de la RSM une fois la demande justifiée. Le sel de combustible lui-même doit être produit selon des spécifications strictes, exigeant de nouvelles installations pour la synthèse, la purification et le transport du sel.

Perspectives d'avenir et intégration à l'énergie propre

Les MSR ne devraient pas remplacer les LWR existants du jour au lendemain, mais pourraient les compléter au cours des prochaines décennies. Leur capacité à fonctionner à haute température en fait des partenaires idéaux pour la décarbonisation industrielle, en particulier dans les secteurs qui nécessitent une chaleur de procédé supérieure à 500 °C, comme la production d'ammoniac, le raffinage pétrochimique et la fabrication d'acier. La même chaleur peut également être utilisée pour la production d'hydrogène vert par électrolyse à haute température (SOEC), qui est plus efficace que l'électrolyse à basse température.

Plusieurs feuilles de route nationales projettent les premières démonstrations commerciales de MSR à la fin des années 2020 jusqu'au début des années 2030. Le département américain de l'Énergie a financé le projet MCFR visant une démonstration vers 2030. En Chine, le programme TMSR cible un réacteur de 10 MWe d'ici 2030 et une usine commerciale de 100 MWe d'ici 2035. Terrestrial Energy espère déployer sa première IMSR sur un site industriel canadien d'ici la fin des années 2020, sous réserve de licences.

L'intégration des MSR avec les réseaux d'énergie renouvelable est prometteuse. Parce que les MSR peuvent monter ou descendre plus souplement que les grands LWR traditionnels (mais pas aussi rapides que les turbines à gaz), ils peuvent fournir une capacité de suivi de la charge. Certaines conceptions de réacteurs, comme le réacteur rapide au chlorure fondu, sont particulièrement faciles à charger en raison de la grande capacité thermique du sel et de la capacité d'ajuster la concentration de carburant.

À plus long terme, les MSR de thorium pourraient fournir des siècles d'énergie propre avec un minimum de déchets, ce qui en fait une partie importante d'un mélange énergétique durable. Le défi est de passer d'expériences réussies à une industrie robuste et économiquement compétitive. Avec un intérêt mondial croissant et des investissements privés et publics substantiels, la prochaine décennie sera décisive pour la technologie MSR car elle tente de prouver sa performance à l'échelle.

Conclusion

Les réacteurs à sel fondu représentent un changement fondamental dans la conception des réacteurs nucléaires, avec la possibilité de surmonter un grand nombre des limites de sûreté, de déchets et d'économie des réacteurs traditionnels à eau légère. Leurs caractéristiques de sûreté inhérentes, leur rendement énergétique, leur température de fonctionnement élevée et leurs capacités de réduction des déchets les placent comme une technologie de transformation pour la production d'énergie propre et les applications de chaleur industrielle.