Les réacteurs à sel fondu (RSM) représentent une classe de systèmes de fission nucléaire transformatrice dans laquelle le combustible est dissous directement dans un mélange de sel liquide circulant.Cette conception élimine la nécessité de granulés de combustible solide et de revêtement, simplifie le retraitement du combustible et permet des caractéristiques de sécurité exceptionnelles. Un élément critique dans de nombreuses configurations de RSM est le modérateur neutron, matériau placé à l'intérieur ou autour du cœur du réacteur pour ralentir les neutrons de fission à haute énergie jusqu'à des vitesses thermiques ou épithermales, augmentant ainsi la probabilité de maintenir d'autres fissures. Le choix, le placement et la longévité du modérateur influencent directement l'économie du réacteur, l'utilisation du combustible, le profil des déchets et la sécurité opérationnelle.

Rôle et physique de la modération du neutron dans les MSR

Dans tout réacteur nucléaire, la grande majorité de l'énergie est libérée par la fission d'isotopes lourds tels que l'uranium-235 ou le plutonium-239. Les neutrons libérés par la fission ont une énergie moyenne d'environ 2 MeV (neutrons rapides). Pour être capturés efficacement par les noyaux fissionnables, ces neutrons doivent être ralentis aux énergies thermiques (environ 0,025 eV à température ambiante) ou, dans certains cas, aux énergies épithermales. Le modérateur y parvient par collisions élastiques avec des noyaux atomiques légers – plus le noyau est léger, plus l'énergie est transférée par collision.

RSM de spectre thermique contre spectre rapide

Les MSR à spectre thermique, comme l'expérience historique du Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) sur les réacteurs à sel fondu (MSRE) et les objectifs contemporains d'entreprises comme Énergie terrestre, exigent un modérateur pour ralentir les neutrons. Les MSR à spectre rapide, par contre, évitent tout modérateur intentionnel et comptent sur un spectre neutronique plus dur pour consommer des déchets transuraniques ou pour produire du combustible. L'approche thermique offre généralement un inventaire de plus petite taille, une manipulation plus simple du combustible et la capacité d'utiliser le thorium comme matière fertile (par la conversion en uranium-233). Toutefois, elle place le modérateur directement à l'intérieur de la boucle de sel à haute température, hautement radioactive, l'exposant à de graves contraintes chimiques et radiologiques.

Matériaux de modérateurs clés pour les MSR

Plusieurs matériaux ont été considérés – et parfois testés – pour modérer les neutrons dans des milieux de sel fondu. Chaque candidat est doté d'une combinaison unique de propriétés nucléaires, thermiques, chimiques et mécaniques.

Graphite

Le graphite est de loin le modérateur le plus étudié des MSR à spectre thermique. Il peut résister à des températures supérieures à 1000 °C dans des conditions inertes ou réductrices, ce qui le rend compatible avec les boucles de fluorure ou de chlorure de sel. Dans le MSRE, les blocs modérateurs de graphite ont été utilisés avec succès pendant plusieurs années. Cependant, le graphite se dégrade sous irradiation prolongée des neutrons : il gonfle, perd la conductivité thermique et devient poreux. De plus, le sel fondu peut pénétrer dans les micro-cracks et les produits de fission tels que le xénon peuvent être piégés dans les pores, modifiant le réacteur.

Béryllium

Le béryllium (Be) et son oxyde (BeO) sont de puissants modérateurs en raison de la très faible masse atomique et de la faible section d'absorption des neutrons (~0,007 granges pour Be, 0,009 granges pour BeO). BeO a un point de fusion élevé (2530 °C) et une conductivité thermique raisonnable. Il a été considéré comme un modérateur pour les réacteurs à haute température et pour le concept de réacteur à fusion de Molten-Salt (MSBR) développé à ORNL. Les principaux inconvénients sont le coût élevé du béryllium, sa toxicité (surtout lorsqu'il est traité comme une poussière ou une poudre) et sa sensibilité à l'enflure et à la production d'hélium par rayonnement par le biais (n,α).

Eau légère et eau lourde

Bien que l'eau soit un modérateur courant dans les LWR, son utilisation dans les MSR est limitée par la température de fonctionnement élevée du sel (habituellement 500 à 700 °C). L'eau pressurisée nécessiterait des récipients lourds et présenterait un risque de réactions chimiques au sel de vapeur (hydrolyse). Aucune conception commerciale des MSR ne repose actuellement sur l'eau en tant que modérateur de base, mais certains concepts de recherche explorent l'idée d'une région séparée, isolée et modérée par l'eau, essentiellement un assemblage hétérogène, qui pourrait permettre au MSR de fonctionner avec une charge fissile réduite. L'eau lourde (D2O) offre une absorption encore plus faible et pourrait être attrayante, mais les mêmes défis de température et de compatibilité s'appliquent.

Matériaux modérateurs émergents

Les chercheurs étudient activement d'autres modérateurs qui pourraient surmonter les limites du graphite et du béryllium.

  • hydrures métalliques (p. ex., hydrure de zirconium, ZrH): Ces hydrures ont une forte densité d'hydrogène et une excellente efficacité modératrice, mais elles sont sujettes à une perte d'hydrogène à des températures supérieures à 500 °C et peuvent être attaquées chimiquement par les sels de fluorure.
  • Zircone stabilisée par YTtria (YSZ): Une céramique à bonne stabilité chimique et à faible absorption de neutrons, bien que sa puissance de modulation soit beaucoup plus faible que le graphite ou le béryllium. YSZ pourrait être utilisé comme réflecteur à spectre rapide ou dans des modèles hybrides.
  • Composés à base de carbure de bore: Bien que le bore absorbe fortement les neutrons, des matériaux tels que le B4C peuvent être utilisés comme poisons burnables ou comme élément de contrôle, et non comme modérateur permanent.

Défis fondamentaux pour les modérateurs de neutrons dans les MSR

Le défi le plus déterminant pour les modérateurs de MSR est l'environnement hostile dans lequel ils doivent fonctionner : un sel fondu à haute température, à irradiation, qui coule et qui est chimiquement agressif.

Compatibilité des matériaux avec les sels fondus

De nombreux matériaux modérateurs qui fonctionnent bien dans les réacteurs à combustible solide (p. ex., le graphite à haute température) sont vulnérables à l'attaque par le fluorure ou les sels de chlorure. La graphite, par exemple, peut être intercalée par les ions fluorure si le sel n'est pas suffisamment réduit. Cette intercalation peut causer l'exfoliation, la perte de masse du modérateur et le transport de particules de carbone à travers la boucle de refroidissement, les échangeurs de chaleur enfichables. Le béryllium métallique réagira avec l'excès de fluor pour former BeF2, et le sel une fois clair deviendra nuageux avec les particules en suspension. Pour combattre ces réactions, la chimie du sel doit être étroitement contrôlée en maintenant un rapport approprié entre UF4 et UF3 (ou en utilisant des tampons redox tels que le béryllium métal dans le sel), ce qui ajoute de la complexité au système de contrôle chimique.

Dommages radiologiques et changements dimensionnels

En graphite, cela provoque un gonflement anisotrope (effet Wigner) qui peut fissurer les blocs modérateurs et déformer la géométrie du noyau. À des fluctuations élevées, le graphite atteint un point de retournement où le gonflement se retourne, entraînant un rétrécissement et une contrainte supplémentaire. Pour le béryllium, l'irradiation neutronienne produit du gaz d'hélium par (n,α) réactions, provoquant la formation de bulles et le ballonnement. La stabilité dimensionnelle du modérateur affecte directement la réactivité du réacteur — si le modérateur augmente, le rapport neutron-modérateur change, provoquant potentiellement des oscillations de puissance.

Stress thermique et mécanique

Les MSR fonctionnent à des températures de 500 à 700 °C. Les blocs ou cailloux du modérateur connaissent des gradients de température à mesure que la chaleur est générée à l'intérieur d'eux (du chauffage gamma et, dans une moindre mesure, du ralentissement des neutrons). Cette contrainte thermique, combinée à un fluage et à un gonflement induits par l'irradiation, peut entraîner des fissures. Si le modérateur est disposé comme des blocs fixes de graphite dans le noyau, les blocs peuvent se déplacer ou se briser, modifier les voies de circulation du liquide de refroidissement et créer des points chauds.

Économie neutronique et absorption parasitaire

Chaque matériau modérateur absorbe quelques neutrons, quelques centièmes d'une grange pour le graphite et le béryllium, mais beaucoup plus pour les matériaux contenant de l'hydrogène. Même ces petites pertes peuvent affecter de façon significative l'économie de neutrons d'un MSR à spectre thermique, qui souffre déjà d'une réactivité moins excessive qu'un LWR typique parce que le combustible est dissous et circule continuellement. Si le modérateur absorbe trop de neutrons, le réacteur peut nécessiter un enrichissement plus élevé ou souffrir d'un taux de reproduction réduit dans les conceptions alimentées au thorium. Par conséquent, le modérateur doit être positionné et façonné pour maximiser l'efficacité de ralentissement-descente tout en minimisant la capture.

Poisons de produit de fission et le problème de Xénon

Dans un spectre thermique MSR, une partie des produits de fission, notamment le xénon-135, naissent et restent dans le sel. Xénon-135 a une énorme section d'absorption de neutrons (2,7 × 106 étables pour les neutrons thermiques). Dans le MSRE, le sel circulant a transporté le xénon hors du cœur, atténuant ainsi son effet d'empoisonnement. Cependant, si le modérateur est poreux (comme le graphite), le xénon peut se répandre dans les pores et être piégé, augmentant de façon spectaculaire la concentration locale de poison. Ce -xénon peut réduire la réactivité et, si le réacteur est arrêté, causer un passage du xénon qui rend difficile le redémarrage. Le problème est unique aux MSR avec des modérateurs poreux; un modérateur non poreux ou un modèle de spectre rapide l'évite entièrement.

Possibilités d'innovation et orientations de recherche

Malgré les obstacles, les avantages potentiels d'un spectre thermique MSR réussi (y compris l'amélioration efficace du thorium, la réduction des déchets et la sécurité inhérente) continuent de stimuler des solutions créatives.

Composites et revêtements graphites avancés

Une approche utilise une couche de carbure de silicium (SiC) de dépôt de vapeur chimique (CVD) sur la surface du graphite pour bloquer l'entrée de sel. Une autre utilise des revêtements de pyrocarbone semblables à ceux utilisés dans les particules de combustible TRISO. Des matériaux composites, comme une matrice de graphite‐SiC ou de graphite‐zirconium, sont testés pour supprimer le gonflement induit par l'irradiation. L'objectif est un modérateur qui peut rester dans le noyau pour la durée de vie du réacteur (p. ex., 30 à 60 ans) sans remplacement, ce qui est une exigence économique clé.

Béryllium Alternatives et Matériaux Hybrides

Par exemple, un -Cermet de particules BeO dispersées dans une matrice de nickel ou de carbure de silicium pourrait réduire l'inventaire de béryllium tout en conservant une partie de l'avantage modérant. Une autre idée est d'utiliser le sel de lithium-berylium-fluorure (FliBe) lui-même comme liquide de refroidissement combiné et modérateur. FLiBe contient du lithium‐7 (faible capture de neutrons) et du béryllium, lui donnant une puissance modératrice modérée. Dans un MSR homogène, le FLiBe agit comme modérateur in-situ, éliminant la nécessité de matériaux modérateurs solides séparés. Le défi est que l'efficacité modératrice de FLiBe est inférieure à celle du graphite, de sorte que le réacteur devient plus proche d'un système -épithermal.

Modérateurs liquides et modèles séparés

Au lieu de placer un modérateur solide à l'intérieur du noyau, certains concepteurs proposent de faire circuler un liquide séparé riche en hydrogène dans une zone de modérateur. Il pourrait s'agir d'un sel fondu contenant des composés solubles d'hydrogène (par exemple, LiH dissous dans un sel fluoré), bien que ces mélanges soient chimiquement agressifs et aient des points de fusion très élevés. Ou bien, une boucle séparée de lumière sous pression ou d'eau lourde pourrait passer par des échangeurs de chaleur intégrés dans le noyau. Cette dernière approche est complexe mais permet au modérateur d'être remplacé et d'éviter les dommages radiologiques à une structure fixe.

Optimisation de la conception par les jumeaux numériques et l'IA

Les outils informatiques modernes permettent aux concepteurs de réacteurs d'explorer plus efficacement que jamais l'espace de paramètres de la géométrie, du placement et de la composition du matériau des modérateurs. Les codes Monte Carlo à haute fidélité couplés à des modèles thermiques à éléments finis peuvent simuler toute la durée de vie d'un bloc de graphite sous irradiation.

Considérations en matière de sécurité et de réglementation

Si un modérateur bloque des fissures ou des déplacements, le rapport de modération des neutrons peut changer, ce qui peut entraîner une excursion en puissance ou un événement de criticité localisé. De plus, si le modérateur réagit avec du sel ou avec l'atmosphère (p. ex., oxydation du graphite après une perte de refroidissement), il peut produire des gaz inflammables (CO, H2) ou des composés corrosifs. Pour le béryllium, la dispersion des poussières toxiques contenant du Be est une préoccupation pendant l'entretien ou dans les scénarios d'accident. Les organismes de réglementation, y compris la Commission de réglementation nucléaire des États-Unis (CNRC) et la Commission canadienne de sûreté nucléaire (CCSN), élaborent de nouveaux cadres pour l'homologation des réacteurs de pointe.

Perspectives d'avenir : le rôle des modérateurs dans les conceptions avancées de MSR

Certains, comme le concept de réacteur à haute température refroidi au fluorure (FHR), utiliseront des galets de graphite enduit solide à la fois comme modérateur et transporteur de carburant. D'autres, comme les modèles MSR à combustible liquide des industries Elysium ou les modèles à base de thorium promus par Copenhagen Atomics, peuvent opter pour un spectre rapide pour éviter les défis des modérateurs. Pour ceux qui emploient un modérateur, les tendances se rapportent à a) des composites améliorés de graphite et de BeO, b) des revêtements protecteurs, c) des schémas de base hétérogènes qui isolent le modérateur du sel et des rayonnements les plus agressifs, et d) une dépendance accrue à l'optimisation computationnelle pour repousser les limites de performance.

En conclusion, les modérateurs de neutrons constituent un défi technique de longue date et une source d'opportunité stratégique pour les réacteurs à sel fondu. Bien qu'ils présentent des problèmes de compatibilité matérielle, de radiation et de empoisonnement des neutrons, ils permettent également une utilisation efficace du combustible thorium, une réduction des stocks de matières fissiles et le potentiel de caractéristiques de sûreté inhérentes.Les progrès réalisés dans le domaine de la science des matériaux, notamment dans les technologies de revêtement et les céramiques de pointe, continuent de réduire l'écart entre la faisabilité et le déploiement commercial.