Comprendre les fluides de refroidissement en métal dans les réacteurs de génération rapide

Les réacteurs à régénérer rapide (RF) représentent une pierre angulaire de la technologie nucléaire de pointe, conçue pour produire plus de combustible fissiles qu'ils ne consomment en même temps qu'ils produisent de l'énergie. Le système de refroidissement est central pour son fonctionnement, où les refroidisseurs en métal liquide jouent un rôle indispensable. Contrairement aux réacteurs à eau légère classiques qui comptent sur l'eau comme modérateur et réfrigérant, les RFB ont besoin d'un milieu qui ne ralentit pas les neutrons.Les neutrons rapides sont essentiels pour produire des isotopes fertiles comme l'uranium-238 dans le plutonium-239.

Le rôle essentiel des refroidisseurs dans les réacteurs de génération rapide

Dans tout réacteur nucléaire, le liquide de refroidissement sert d'agent de transfert de chaleur primaire, transportant l'énergie thermique des assemblages de combustible aux générateurs de vapeur ou aux systèmes de conversion de puissance directe. Dans les FBR, le liquide de refroidissement doit également supporter un spectre neutronique rapide. L'eau, en raison de sa teneur en hydrogène, ralentit les neutrons trop efficacement. Les liquides de refroidissement comme l'hélium offrent des neutroniques acceptables mais souffrent de faibles capacités thermiques et nécessitent des pressions élevées.

Types de refroidisseurs en métal liquide

Bien que plusieurs métaux liquides aient été étudiés, trois d'entre eux ont été considérés comme les principaux candidats à l'utilisation de réacteurs à sélection rapide : le sodium, le plomb et l'eutectique du plomb-bismuth (LBE), chacun ayant des propriétés physiques et chimiques distinctes qui influent sur la conception, la sécurité et l'économie du réacteur.

Sodium

Le sodium est le liquide de refroidissement le plus utilisé dans les FBR opérationnels, notamment le Phénix et le Superphénix, le BN-600 et le BN-800 de Russie, et le Monju du Japon. Le sodium a un point de fusion de 97,8 °C et un point d'ébullition de 883 °C à la pression atmosphérique, fournissant une large gamme de liquides. Sa conductivité thermique est d'environ 80-90 W/m·K—excellente par rapport à l'eau (~0,6 W/m·K) et même les sels fondus. Le sodium a également une très faible section d'absorption de neutrons (0,53 granges pour neutrons thermiques, encore moins pour neutrons rapides), ce qui le rend très transparent au flux de neutrons.

Le contact avec l'eau produit du gaz d'hydrogène et de l'hydroxyde de sodium, ce qui peut conduire à des conditions corrosives et des explosions potentielles. Le contact avec l'air conduit à une oxydation rapide, formant des aérosols d'oxyde de sodium qui sont irritants chimiquement. Par conséquent, les réacteurs refroidis au sodium nécessitent des gaz de couverture inertes (habituellement l'argon) et des systèmes de détection des fuites rigoureux.

Le plomb et le bismuth eutectique

Le plomb et le bismuth eutectique (LBE) gagnent en intérêt pour les réacteurs rapides avancés, y compris les conceptions de la génération IV comme le réacteur rapide refroidi au plomb (LFR). Le plomb a un point d'ébullition élevé (1749 °C), d'excellentes propriétés de protection contre les rayonnements gamma, et une faible réactivité chimique avec l'eau et l'air. LBE (44,5% de plomb, 55,5% de bismuth) a un point de fusion de 123.5 °C, par rapport à 327,5 °C pour le plomb pur, ce qui facilite la conservation du plomb fondu dans les opérations du réacteur.

Le principal inconvénient des réfrigérants au plomb est leur densité élevée (plomb ~11,3 g/cm3, LBE ~10,5 g/cm3), qui impose des charges structurales importantes aux cuves et aux internes du réacteur, ce qui nécessite une conception sismique robuste et une gestion soigneuse des charges de pompe. De plus, le plomb et LBE sont corrosifs pour l'acier à des températures élevées, surtout si les niveaux d'oxygène ne sont pas soigneusement contrôlés.

Autres produits de refroidissement en métal liquide

La recherche a également exploré le sodium-potassium (NaK), le mercure, le gallium et même le lithium liquide. NaK (un eutectique du sodium et du potassium) reste liquide à température ambiante, ce qui simplifie les procédures de démarrage et d'arrêt, mais il conserve la réactivité chimique du sodium. Le mercure a été utilisé dans les premiers réacteurs expérimentaux mais a été abandonné en raison de la toxicité et de la neutronique médiocre. Le gallium a d'excellentes propriétés thermiques mais est très coûteux et attaque de nombreux métaux.

Avantages thermiques et hydrauliques des fluides de refroidissement métallique

Les métaux liquides excellent dans le transfert de chaleur en raison de leur conductivité thermique élevée et de leur capacité thermique spécifique par rapport au volume qu'ils occupent. Dans un noyau de réacteur, le flux de chaleur des goupilles de combustible peut dépasser 1 MW/m2; les métaux liquides peuvent éliminer cette chaleur avec des différences de température modestes entre la surface du combustible et le volume de liquide de refroidissement. Cela réduit la zone de transfert de chaleur requise et permet une plus grande densité de puissance, des volumes de noyau plus faibles et une augmentation de la combustion du combustible.

La circulation naturelle est un autre avantage important. Les métaux liquides ont de grands coefficients de dilatation thermique, et leurs changements de densité avec la température peuvent entraîner un débit convectif naturel robuste même à faible vitesse de débit. En cas de défaillance de la pompe, cette circulation passive peut éliminer indéfiniment la chaleur de décomposition du cœur, à condition que la géométrie du réacteur soit conçue pour elle.

Neutronics et performance génétique

La sélection du liquide de refroidissement a des répercussions directes sur l'économie des neutrons d'un FBR. Le liquide de refroidissement idéal devrait avoir une section transversale d'absorption très faible pour préserver la population de neutrons pour la reproduction. La section transversale d'absorption du sodium est faible mais non nulle; la capture parasitaire dans le liquide de refroidissement réduit légèrement le gain de reproduction. Le plomb et le LBE ont des sections transversales d'absorption encore plus faibles pour les neutrons rapides, ce qui permet d'introduire presque aucune pénalité pour les neutrons.

Dans la pratique, les FBR refroidis au sodium ont montré des rapports de reproduction de 1,2 ou plus, ce qui signifie qu'ils produisent 20 % de matières fissiles de plus qu'ils ne consomment. On prévoit que les modèles refroidis au plomb avec de l'oxyde ou du combustible métallique de pointe atteignent des rapports de reproduction de plus de 1,3, tout en étant capables de consommer du plutonium et des actinides mineurs existants.

Défis et solutions techniques

Malgré leurs avantages, les refroidisseurs en métal liquide présentent des défis d'ingénierie uniques qui ont retardé le déploiement généralisé des FBR. Ces défis couvrent la compatibilité des matériaux, le contrôle chimique, l'instrumentation, la maintenance et la sécurité.

Compatibilité des matériaux et corrosion

Les aciers inoxydables (p. ex., 316, 316L et HT-9) sont couramment utilisés dans les produits de refroidissement au sodium, mais ils doivent être protégés contre la corrosion en maintenant des niveaux bas d'oxygène (<10 ppm) et en évitant les impuretés. Dans le plomb et l'EBL, les taux de corrosion augmentent fortement avec la température et la concentration d'oxygène; un contrôle précis de l'oxygène (généralement de 10 à 6 à 10 à 8 % en poids) est nécessaire pour former une couche protectrice de spinel de chrome-fer sur l'acier. Des revêtements avancés, tels que les alliages à formage d'aluminium ou les revêtements céramiques, sont en cours de développement pour prolonger la durée de vie des composants.

Réactivité chimique

Les générateurs de vapeur dans les FBR refroidis au sodium doivent être conçus pour prévenir, détecter et atténuer les réactions sodium-eau. Généralement, les boucles de sodium intermédiaires séparent le sodium primaire du système de vapeur, avec un disque de rupture et des soupapes de décompression pour contrôler la pression de la génération d'hydrogène. Des systèmes de détection de fuites utilisant des moniteurs d'hydrogène, des capteurs de température et des capteurs acoustiques sont installés dans l'ensemble.

Conception et instrumentation de la pompe

Les pompes électromagnétiques (EM) sont favorisées pour le sodium et le LBE parce qu'elles n'ont pas de pièces mobiles, réduisant l'usure et l'entretien. Les pompes EM utilisent un courant électrique et un champ magnétique pour induire une force de Lorentz directement sur le liquide de refroidissement. Cependant, elles ont un rendement inférieur à celui des pompes mécaniques et nécessitent de grandes alimentations. La haute densité du plomb rend EM moins efficace le pompage, de sorte que les pompes centrifuges mécaniques avec roulements spéciaux et joints sont utilisés, parfois immergés dans le liquide de refroidissement.

Entretien et inspection

Comme le liquide de refroidissement est hautement radioactif dans les réacteurs refroidis au sodium, l'entretien des composants du liquide de refroidissement nécessite un équipement de manutention à distance sophistiqué. De nombreux réacteurs refroidis au sodium ont eu des facteurs de disponibilité faibles en raison des difficultés de ravitaillement et de réparation.

Stratégies de sécurité et expérience en matière de réglementation

La sécurité des réacteurs rapides refroidis par des métaux liquides a été étudiée de façon approfondie au cours de décennies de recherche et d'exploitation.Les principaux défis en matière de sécurité diffèrent selon le type de liquide de refroidissement. Pour le sodium, le principal danger est les incendies de sodium et le potentiel de réactivité positive du liquide de refroidissement, condition où l'ébullition ou la perte de sodium augmente la réactivité, pouvant conduire à des excursions de puissance.

Le plomb et le LBE présentent également des coefficients de réactivité du vide positifs, mais le point d'ébullition élevé du plomb (1749 °C) rend peu probable l'annulation du liquide de refroidissement même dans des conditions d'accident graves. Le risque principal pour les réacteurs refroidis au plomb est la congélation du liquide de refroidissement; les radiateurs électriques de secours et la chaleur de décomposition doivent garder le liquide de refroidissement fondu pendant l'arrêt.

Les codes de sécurité internationaux pour les réacteurs rapides, tels que les normes de sécurité de l'AIEA et les directives de sécurité du Forum international de Gen IV, mettent l'accent sur la défense en profondeur, le confinement et l'inclusion de mesures d'accident sévères. De nombreux FBR intègrent des dispositifs de capture de cœur pour retenir le combustible fondu si un événement de fusion de cœur se produit, empêchant la criticité et contenant des produits de fission.

Évolution actuelle et future

Plusieurs pays développent activement des réacteurs rapides refroidis par des métaux liquides pour un déploiement à court terme. La Russie continue d'exploiter les réacteurs refroidis par le sodium BN-600 et BN-800 et construit le BN-1200M, en vue d'une compétitivité commerciale. L'Inde exploite un petit réacteur FBR refroidi par le sodium (FBTR) et construit un réacteur à sélection rapide de 500 MWe. La Chine a lancé le réacteur d'essai refroidi par le sodium CEFR et prévoit une FBR de démonstration dans les années 2030.

Pour le plomb, la Russie a lancé le réacteur BREST-300 refroidi au plomb au Sibérie Chemical Combine, et le projet MYRRHA de l'Union européenne (un système à accélérateur refroidi par LBE) est en cours de conception. Les États-Unis ont plusieurs concepts de SMR refroidi au plomb, comme le LFR de Westinghouse, et le projet de réacteur polyvalent à essai (VTR) de la DOE initialement considéré comme refroidisseur LBE.

La recherche en cours porte sur les combustibles avancés (alliages métalliques, nitrure, matrice inerte), les matériaux de structure améliorés (aciers ODS, composites SiC), les meilleures techniques d'inspection en service et le développement de capteurs chimiques pour la surveillance continue des impuretés. Il y a également intérêt à raccorder les fluides de refroidissement métallique avec des cycles supercritiques de CO2 Brayton pour obtenir une efficacité thermique plus élevée (>45 %) par rapport au cycle de vapeur de Rankine utilisé dans les RBF actuels.

Le potentiel des réfrigérants en métal liquide s'étend au-delà de la production d'électricité, ce qui peut fournir une chaleur de procédé à haute température pour la production d'hydrogène, le dessalement et les applications industrielles. Leur capacité à brûler les actinides les rend utiles pour la gestion des déchets et la résistance à la prolifération.

Conclusion

Les fluides de refroidissement font partie intégrante de l'exploitation et de la sûreté des réacteurs à régénérer rapide. L'eutectique du sodium, du plomb et du plomb-bismuth offre chacun des avantages et des compromis distincts en termes de performance thermique, de neutronique, de réactivité chimique et de compatibilité des matériaux. Une vaste expérience du sodium a permis de disposer d'une solide base technologique, tandis que les systèmes à base de plomb promettent une sécurité passive accrue et une chimie simplifiée du liquide de refroidissement.