Présentation

Les réacteurs rapides constituent une pierre angulaire des systèmes d'énergie nucléaire avancés car ils peuvent extraire beaucoup plus d'énergie de l'uranium naturel que les réacteurs thermiques classiques tout en réduisant la radiotoxicité à long terme des déchets de haute activité. Au cœur du fonctionnement sûr et fiable de ces réacteurs est la capacité de maintenir le noyau correctement refroidi dans toutes les conditions, de l'exploitation normale à pleine puissance aux scénarios d'accident postulés.

Les fondamentaux du refroidissement rapide du cœur de réacteur

Les réacteurs rapides fonctionnent avec un spectre de neutrons qui n'est pas modéré, nécessitant un liquide de refroidissement qui ne ralentit pas significativement les neutrons. Les métaux liquides sont la classe de réfrigérant préférée parce qu'ils combinent une faible modération neutron avec une conductivité thermique élevée et des points d'ébullition élevés.

Le sodium comme liquide de refroidissement

Le sodium a été le liquide de refroidissement le plus utilisé dans les réacteurs rapides expérimentaux et prototypes, y compris le BN‐600 et le réacteur Phénix. Sa conductivité thermique élevée (environ 70 W/m·K aux températures de fonctionnement du réacteur) et son faible point de fusion (97.7 °C) permettent un transfert de chaleur efficace à une puissance de pompage modeste.

Refroidisseurs plomb-bismuth

Le plomb et le LBE sont des solutions de rechange intéressantes en raison de leur inerte chimique avec l'eau et l'air, éliminant ainsi le risque de réactions violentes. Leurs points d'ébullition plus élevés (le plomb : 1749 °C; LBE : 1670 °C) permettent le fonctionnement à la pression atmosphérique, simplifient le système primaire et réduisent la probabilité d'accidents de perte de refroidissement.

Systèmes de refroidissement passif : réduire la dépendance aux composants actifs

Un progrès clé dans la sécurité rapide des réacteurs est le développement de systèmes passifs d'élimination de la chaleur par décomposition qui fonctionnent sans pompes actives, valves ou puissance électrique.Ces systèmes reposent sur la circulation naturelle entraînée par des gradients de densité et la tête gravitationnelle, fournissant des marges de sécurité inhérentes.

Système auxiliaire de refroidissement des réacteurs (RVAC)

Dans le concept du RVAC, la chaleur de décomposition du réacteur est transférée par rayonnement et convection naturelle à un récipient de confinement externe, qui rejette ensuite la chaleur dans l'air ambiant par une cheminée. Le système est totalement passif : pas de pompes, pas d'action de l'opérateur, et aucune puissance externe n'est nécessaire. La conception PRISM (Power Reactor Innovative Small Module) de GE Hitachi intègre un RVAC qui peut éliminer la chaleur de décomposition pendant une période indéterminée sans dommages de base.

Système de refroidissement auxiliaire direct (DRACS)

DRACS combine le bassin de réacteur à une boucle externe de circulation naturelle à travers un échangeur de chaleur dédié immergé dans la piscine de refroidissement chaud. La boucle transfère la chaleur à un puits de chaleur d'air ou d'eau. Cette approche peut obtenir des taux d'élimination de chaleur plus élevés que RVACS parce que l'échangeur de chaleur est placé plus près du cœur. Le réacteur de recherche MYRRHA (une installation de spectre rapide refroidi au plomb-bismuth) utilise un DRACS dans le cadre de son architecture de sécurité.

Circulation naturelle dans la boucle primaire

En plus des systèmes dédiés de désintégration de la chaleur, les réacteurs rapides modernes exploitent la circulation naturelle dans la boucle de refroidissement primaire elle-même. En fonctionnement normal, les pompes forcent le liquide de refroidissement dans le cœur. Si les pompes échouent, la différence de densité entre la sortie du cœur chaud et le plénum supérieur du refroidisseur crée un cheminement de circulation naturel. Ce phénomène permet au noyau de maintenir un refroidissement suffisant pendant de longues périodes sans puissance de pompe.

Échangeurs de chaleur améliorés: améliorer les performances thermiques

Même avec la circulation passive, l'efficacité des échangeurs de chaleur affecte directement la chaleur de décomposition maximale qui peut être enlevée et les marges de température dans le noyau. Les récentes innovations dans la conception des échangeurs de chaleur ont permis d'améliorer de façon notable la compacité, la surface et la résistance à l'encrassement.

Échangeurs de chaleur de circuits imprimés (PCHE)

Les PCHE sont fabriqués par gravure chimique des canaux de débit dans des plaques métalliques, puis par collage de diffusion. Cette construction permet des rapports de surface/volume extrêmement élevés (jusqu'à 700 m) et peut résister à des pressions au-delà de 500 bar. Pour des applications rapides de réacteurs, les PCHEs fabriqués à partir d'alliages de nickel résistant à la corrosion ou d'aciers à oxyde-dispersion (ODS) peuvent fonctionner à des températures élevées typiques des réacteurs refroidis au plomb (550 oC et plus). L'empreinte réduite simplifie également la disposition des bâtiments des réacteurs et réduit les coûts.

Échangeurs de chaleur Shell et Tube avec tubes améliorés

Les conceptions conventionnelles de la coque et du tube sont améliorées par l'utilisation de tubes à nageoires hélicoïdales internes, de bandes torsadées ou de surfaces déchiquetées qui perturbent la couche limite thermique et augmentent les coefficients de transfert de chaleur de 30 à 50 %. Dans les systèmes refroidis au sodium, ces améliorations contribuent à compenser la hausse de température plus faible à travers l'échangeur thermique intermédiaire (IHX) et permettent une conception plus compacte.

Stockage d'énergie thermique comme tampon de refroidissement

Certains concepts de réacteurs rapides intègrent un système de stockage d'énergie thermique (TES) qui absorbe l'excès de chaleur pendant les transitoires ou lorsque la turbine est hors ligne. Le support de stockage peut être en fusion, en métal liquide ou en céramique solide. En fonctionnement normal, le détournement d'une petite fraction de chaleur primaire vers la TES peut préchauffer la boucle secondaire et réduire les chocs thermiques sur la turbine. En cas d'urgence, la TES peut agir comme un puits de chaleur, achetant du temps pour les systèmes passifs d'élimination de la chaleur pour atteindre la pleine capacité.

Matériaux et revêtements de refroidissement avancés

La corrosion et le transfert massique des alliages structuraux dans le liquide de refroidissement restent les mécanismes de dégradation à long terme les plus importants des réacteurs rapides.

Refroidisseurs au plomb et à l'EBE contrôlés par l'oxygène

En maintenant une concentration contrôlée d'oxygène dans le plomb fondu ou le LBE (généralement entre 10-6 et 10-5 wt%), une couche d'oxyde mince et adhérente se forme sur les surfaces d'acier. Cette couche agit comme une barrière de diffusion qui réduit le taux de corrosion par ordre de grandeur. Des recherches récentes à l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) et à l'Institut des éléments transuraniens ont validé des systèmes de surveillance et d'injection de l'oxygène qui peuvent maintenir l'activité d'oxygène dans la fenêtre souhaitée pendant des années de fonctionnement.

Alliages haute température et aciers à haute température

Les aciers renforcés par l'oxyde de dispersion, fabriqués par l'alliage mécanique des nanoparticules d'yttria dans une matrice ferritique ou martensitique, présentent une résistance et une résistance supérieures au fluage jusqu'à 700 o]C. Dans le sodium à faible teneur en oxygène, les aciers ODS présentent une corrosion négligeable et une excellente stabilité dimensionnelle sous irradiation rapide aux neutrons. Le revêtement en acier ODS en cours de développement pour le réacteur rapide refroidi au sodium japonais (JSFR) a passé les essais d'irradiation à plus de 150 dpa (déplacements par atome), niveau qui ferait gonfler les aciers inoxydables austénitiques conventionnels de façon inacceptable.

Chimie du liquide de refroidissement auto-guérisant

De nouvelles recherches explorent le concept d'un liquide de refroidissement =elf-healing=2 dans lequel les additifs traces peuvent réparer les couches d'oxyde en temps réel. Par exemple, de petits ajouts de silicium ou d'aluminium à LBE peuvent former des couches stables de SiO[2 ou d'Al2O3] sur des surfaces en acier plus robustes que les oxydes à base de fer. Le projet SILVER (Silicon in Liquid Metals for Enhanced Resistance) financé par l'UE a démontré que l'ajout de 0,1 % de silicium en masse au plomb réduit le taux de corrosion de l'acier T91 par un facteur de 20 à 550 o[C. Ces mécanismes d'auto-healing pourraient simplifier considérablement le contrôle chimique des fluides et augmenter les marges de sécurité.

Intégration des avances : avantages pour la sécurité et acceptation réglementaire

Lorsque le refroidissement passif, les échangeurs de chaleur améliorés et les matériaux de refroidissement avancés sont combinés, il en résulte un système de refroidissement de base qui est manifestement plus tolérant aux défaillances et aux charges extrêmes.

Fréquence réduite des dommages de base

Les évaluations probabilistes de la sécurité (ASP) pour les réacteurs rapides avancés comme le GE‐Hitachi PRISM et le projet Westinghouse LFR ont une fréquence de dommages de cœur (CDF) inférieure à 10-7] par année de réacteur, un ordre de grandeur inférieur à celui des réacteurs à eau légère actuels. La majorité des séquences significatives de risque impliquent la défaillance des systèmes actifs d'élimination de la chaleur par décomposition, qui rendent les systèmes passifs inutiles.

Cas de sécurité simplifié

Des organismes de réglementation comme la Nuclear Regulatory Commission (NRC) des États-Unis et l'Autorit-de-S-Retruit (ASN) de France élaborent des cadres de délivrance de licences pour les réacteurs avancés qui mettent davantage l'accent sur la performance déterministe plutôt que sur la redondance active complexe du système. L'utilisation de systèmes de refroidissement passif simplifie le cas de sécurité parce qu'il y a moins de composants à échouer et moins d'initiateurs qui peuvent remettre en question la fonction de refroidissement de base.

Durée prolongée de la mise en œuvre

L'une des caractéristiques les plus attrayantes du refroidissement passif est le temps de fonctionnement prolongé sans intervention de l'opérateur. Dans la conception du RVAC pour un module refroidi à 150 MWe de sodium, les analyses montrent que le réacteur peut maintenir des températures de cœur inférieures à 650 oC pendant plus de huit jours après une panne complète de station, en supposant qu'il n'y ait pas de réparation ou de soutien externe.

Études de cas de systèmes de refroidissement avancés dans les réacteurs opérationnels et prévus

Le réacteur PRISM (États-Unis)

Le module de réacteur PRISM, conçu par GE Hitachi, est un réacteur rapide de 311 MWt refroidi au sodium de type piscine qui repose exclusivement sur l'élimination passive de la chaleur de décomposition. Le SRVACS fournit le puits de chaleur ultime à travers la paroi du réacteur, tandis qu'une boucle intermédiaire Na‐to‐Na transfère de la chaleur aux générateurs de vapeur. Tous les systèmes auxiliaires sont situés au-dessus du réservoir de réacteur pour tirer parti de la tête gravitationnelle pour la circulation naturelle.

Projet MYRRHA (Belgique)

Le système de refroidissement à base de carbone de base comprend une pompe primaire, un DRACS avec un refroidisseur d'air dédié et une boucle de refroidissement secondaire. Le DRACS peut retirer 3 MW de chaleur de décomposition du cœur de 50 MWth sans aucun composant actif. Des essais à grande échelle de l'échangeur de chaleur DRACS ont été effectués à l'installation SOLARIS, ce qui valide les performances de conception dans des conditions de circulation naturelle. Le modèle MYRRHA est homologué en vertu du régime réglementaire et la construction de l'échangeur de chaleur de la Belgique devrait commencer à la fin des années 2020.

Le design conceptuel d'ASTRID (France)

Le système de refroidissement du cœur d'ASTRID comprend des voies actives et passives d'élimination de la chaleur de décomposition. Le système passif DHR (appelé REX) utilise la circulation naturelle du sodium et de l'air, avec un échangeur de chaleur de sodium à air dédié situé dans la boucle secondaire. Le programme de validation complet du CEA, y compris les boucles NATHAN et SIGMA, a confirmé que REX peut enlever plus de 15 MW de chaleur de décomposition avec une marge de température jusqu'au point d'ébullition du sodium en sus de 200 o]C.

Défis et orientations de la recherche

Malgré les progrès impressionnants, plusieurs défis techniques subsistent avant que des systèmes de refroidissement avancés puissent être déployés commercialement à l'échelle. Les matériaux structuraux à haute température adaptés aux 60 ans de vie des réfrigérants corrosifs n'ont pas encore été entièrement qualifiés. La stabilité à long terme des revêtements d'oxydes sous irradiation est toujours à l'étude. La réduction des coûts de fabrication des échangeurs de chaleur, en particulier pour les PCHE dans les grandes installations, demeure un obstacle économique.

Les recherches en cours au sein du Groupe de travail sur les réacteurs rapides de l'AIEA et du Forum international Génération IV traitent de ces questions par le biais de programmes internationaux coordonnés. L'élaboration de méthodes de dépistage à haut débit pour les alliages de pointe, l'utilisation de l'apprentissage automatique pour optimiser la géométrie des échangeurs de chaleur et la démonstration de la logique de contrôle autonome pour les systèmes passifs sont autant de domaines d'investigation actifs.

Conclusion

Les récents progrès réalisés dans les systèmes de refroidissement à cœur de réacteur rapide ont fondamentalement amélioré le dossier de sûreté de cette importante catégorie de réacteurs nucléaires. Les systèmes de refroidissement passif qui dépendent de la circulation naturelle, les échangeurs de chaleur améliorés avec des performances thermiques supérieures et les chimies innovantes qui réduisent la corrosion se combinent pour produire des réacteurs rapides qui sont intrinsèquement plus sûrs que leurs prédécesseurs. Ces développements réduisent la probabilité de dommages de base, simplifient les exigences en matière de délivrance de permis et fournissent aux exploitants des temps d'adaptation prolongés pendant les accidents.