L'énergie nucléaire, source de carbone à faible valeur probante, est en passe de jouer un rôle central dans cette transition. Parmi les développements les plus intéressants, on peut citer les réacteurs à régénérer rapide (FBR) et les petits réacteurs modulaires (SMR). Si chaque technologie offre des avantages distincts, leur convergence pourrait libérer un nouveau paradigme dans l'énergie nucléaire durable. Cet article explore les fondamentaux des réacteurs à régénérer rapide, la promesse des RMR et le paysage technique, économique et réglementaire pour intégrer ces deux concepts nucléaires avancés.

Comprendre les réacteurs de génération rapide

Les réacteurs à semis rapides représentent une classe de réacteurs nucléaires fonctionnant avec des neutrons rapides, des neutrons qui n'ont pas été ralentis (modérés) par un matériau modérateur comme l'eau. Ce spectre de neutrons rapides permet plusieurs capacités uniques qui différencient les réacteurs à eau légère classiques (LWR).

Le principe de sélection

La caractéristique déterminante d'un réacteur à combustible solide est sa capacité à produire plus de combustible fissile qu'il ne consomme, ce qui est obtenu en entourant le noyau du réacteur avec un « pan de » matériel fertile, typiquement uranium-238 (U-238) ou thorium-232 (Th-232). Les neutrons rapides du noyau sont absorbés par ces noyaux fertiles, les convertissant par une série de réactions nucléaires en isotopes fissiles. U-238 devient plutonium-239 (Pu-239) et Th-232 devient uranium-233 (U-233). Le rapport des matières fissiles produites par rapport aux matières fissiles consommées est appelé le rapport de reproduction.

Dans le contexte, les réacteurs classiques utilisent des neutrons thermiques et ne consomment généralement qu'environ 0,5 à 1 % du potentiel énergétique de l'uranium naturel. Les réacteurs à combustion interne, en convertissant l'U-238 en Pu-239, peuvent utiliser plus de 60 % de la teneur énergétique du minerai d'uranium, transformant en combustible un déchet (uranium appauvri) en une source précieuse.

Technologie du liquide: métal liquide

Comme les neutrons rapides ne doivent pas être ralentis, les FBR ne peuvent pas utiliser l'eau ordinaire (légère) comme liquide de refroidissement, l'eau agit comme modérateur. Les FBR emploient plutôt des métaux liquides avec d'excellentes propriétés de transfert de chaleur et une faible modération des neutrons.

  • Réacteurs rapides refroidis au sodium (SFRs): Le sodium a un point d'ébullition élevé (883 °C à la pression atmosphérique), permettant au réacteur de fonctionner à basse pression tout en atteignant des températures élevées. Cela améliore l'efficacité et la sécurité thermiques.
  • Réacteurs rapides refroidis au plomb: Le plomb est chimiquement inerte dans l'air et l'eau, éliminant le risque d'incendie du sodium. Il fournit également une excellente économie de neutrons et peut servir de bouclier de rayonnement naturel. Cependant, le plomb est lourd (densité ~10,7 g/cm3), nécessitant un support structurel robuste, et son haut point de fusion (327 °C) nécessite des systèmes de préchauffage.

Le choix du liquide de refroidissement est une décision de conception majeure et chacun a une longue histoire de développement. Le Génération IV International Forum (GIF) a choisi à la fois SFR et LFR comme systèmes prometteurs pour le déploiement futur.

Contexte historique et expérience mondiale

La recherche sur les réacteurs d'élevage rapide et l'exploitation de prototypes remontent aux années 1950. Des pays comme la France, les États-Unis, la Russie, le Japon, l'Inde et le Royaume-Uni ont construit et exploité des FBR expérimentaux et de démonstration.

  • Frances Phénix (250 MWe, exploitée en 1973–2009) et Superphénix[ (1200 MWe, 1985–1998) ont démontré une reproduction à l'échelle commerciale, mais ont fait face à des défis techniques et économiques.
  • RussieBN-600 (600 MWe, opérant depuis 1980 à Beloyarsk) et BN-800 (880 MWe, démarré 2014) sont les seuls réacteurs rapides au monde connectés au réseau. La Russie continue de diriger le déploiement de FBR, avec des plans pour le BN-1200.
  • India="s FBTR (Réacteur d'essai de la génération rapide) est en service depuis 1985, et l'Inde construit un réacteur de la génération rapide de 500 MWe (PFBR) pour fermer son cycle de combustible nucléaire.
  • Les États-Unis -Le réacteur de sélection expérimental II (EBR-II) a fonctionné avec succès et a également été utilisé pour des démonstrations de sécurité passive, y compris un test de perte de refroidissement dans le navire en 1986 qui s'est révélé des capacités inhérentes d'arrêt.

Malgré un succès technique important, le déploiement commercial des grands FBR a été lent en raison des coûts d'investissement élevés et des problèmes de matériaux non résolus.

Petits réacteurs modulaires : un nouveau paradigme

Les petits réacteurs modulaires sont définis comme des réacteurs nucléaires dont la puissance de sortie est généralement inférieure à 300 MWe par module, bien que la coupure exacte varie. Leurs caractéristiques principales, soit la fabrication d'usines, la construction modulaire et l'évolutivité, visent à surmonter les obstacles financiers et logistiques qui entravent les projets nucléaires à grande échelle.

Caractéristiques de conception et sécurité

Au lieu de compter sur des pompes actives et une puissance externe pour refroidir le cœur après l'arrêt, de nombreux SMR utilisent la circulation naturelle du liquide de refroidissement (eau, métal liquide ou gaz), le refroidissement d'urgence par gravité et l'élimination passive de la chaleur de désintégration. Ces choix de conception réduisent le nombre de pompes, de valves et d'autres composants actifs, réduisant à la fois les coûts et les probabilités d'accident.

La fabrication en usine permet une fabrication normalisée et contrôlée par la qualité, réduisant le temps et le coût de construction sur place. Les modules peuvent être expédiés par rail, camion ou barge jusqu'au site, assemblés et reliés. Une centrale nucléaire peut être constituée d'une seule unité SMR ou de plusieurs unités qui peuvent être déployées progressivement pour répondre à la demande croissante, une flexibilité financière importante.

Avantages de déploiement

  • Investissement initial en capital faible:[ Les modules individuels coûtent moins cher que les installations à l'échelle de gigawatt, rendant le financement plus accessible.
  • Risque réduit de construction:[ La production en usine évite les retards météorologiques et les pénuries de main-d'oeuvre locales.
  • La flexibilité de la localisation:[ Des zones de planification d'urgence plus petites et réduites permettent de placer plus près des centres de charge ou dans les régions éloignées, y compris le remplacement des centrales au charbon par une puissance «sans carbone».
  • Les RMS peuvent servir des grilles isolées ou augmenter les énergies renouvelables variables avec une opération de suivi de charge flexible.

Des dizaines de conceptions de RSM sont en cours de développement dans le monde entier, couvrant les technologies refroidies par eau, refroidies au gaz et refroidies par des métaux liquides. L'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) tient une base de données sur les conceptions de RSM et leur état de développement.

Convergence des technologies d'élevage rapide et de RSM

L'intégration de la physique des sélectionneurs rapides dans un petit facteur de forme modulaire est une évolution naturelle. Plusieurs organisations développent des concepts pour petits réacteurs de sélection rapide. Combiner les avantages de l'efficacité énergétique et de la réduction des déchets des réacteurs à spectre rapide avec les avantages économiques et de sécurité des RMS pourrait être un changement de jeu.

Avantages des RMR de génération rapide

Au-delà des avantages généraux du FBR, le petit format modulaire offre des avantages spécifiques:

  • Sécurité passive améliorée:[ Les carottes plus petites ont une chaleur de décomposition totale plus faible, rendant le refroidissement naturel de la circulation plus efficace.Les conceptions comme le réacteur 4S (Toshiba) utilisent un réflecteur radial pour contrôler la réactivité, permettant une faible réactivité excessive et la sécurité inhérente.
  • Flexibilité du cycle de combustible:[ Les RSM d'un sélectionneur rapide peuvent fonctionner sur un cycle de combustible fermé, recyclant du plutonium et d'autres actinides, ce qui réduit le volume et la radiotoxicité des déchets de haute activité envoyés dans un dépôt géologique par un facteur de 10 à 100 par rapport aux cycles de combustible à cycle unique.
  • Approvisionnement en combustible autonome:[ En produisant du combustible, ces réacteurs réduisent la dépendance à l'uranium enrichi et à la chaîne d'approvisionnement connexe. Les pays sans installations d'enrichissement pourraient, en principe, exploiter des RMS d'élevage rapide avec des apports de combustible externes limités après la charge initiale du noyau.
  • Résistance à la prolifération : Le combustible du réacteur réside dans un environnement à forte radiation et le plutonium élevé est mélangé avec des actinides mineurs, ce qui le rend peu attrayant pour l'utilisation des armes.

Concepts SMR de génération rapide remarquable

Plusieurs projets novateurs se trouvent à différents stades de conception, de délivrance de licences et de construction :

  • Toshiba 4S (Super-Safe, Small, and Simple):[ Un réacteur rapide refroidi au sodium de 10 MWe conçu pour fonctionner pendant 30 ans sans ravitaillement. Il utilise un réflecteur à neutrons mobiles autour du noyau pour contrôler la réactivité. Il est destiné à des applications à distance telles que les villes minières ou les bases militaires.
  • PRISM (Power Reactor Innovative Small Module):[ Développé par GE Hitachi Nuclear Energy, PRISM est un réacteur rapide refroidi au sodium de 311 MWe conçu pour être construit dans des usines. PRISM peut brûler du plutonium à partir d'armes nucléaires démantelées ou recycler du combustible usé à partir de LWR. Il utilise du combustible métallique dans un alliage ternaire (U-Pu-Zr) qui a démontré une excellente performance d'irradiation et une sécurité passive inhérente.
  • ARC-100: Advanced Reactor Concepts (ARC) au Canada développe l'ARC-100, un réacteur rapide refroidi à 100 MWe de sodium dérivé de la conception EBR-II. L'ARC a reçu l'approbation réglementaire de la Commission canadienne de sûreté nucléaire pour obtenir une licence de préparation de site au site de Point Lepreau au Nouveau-Brunswick. La conception met l'accent sur le combustible métallique, la sécurité passive et un intervalle de ravitaillement de 20 ans.
  • SEALER (réacteur de refroidissement au plomb avancé suédois): LeadCold (partie de Studsvik) a développé un réacteur rapide refroidi au plomb de 55 MWe appelé SEELER, utilisant un noyau en acier inoxydable et un liquide de refroidissement au plomb-bismuth. Il est conçu pour les collectivités canadiennes éloignées comme un remplacement des générateurs diesel.
  • Brest-300: Russie Le BREST-300 est un réacteur rapide refroidi au plomb de 300 MWe qui fait partie du projet Proryv (Breakthrough). Il est conçu pour fonctionner avec un cycle de combustible fermé et est en construction au Sibérie Chemical Combine près de Tomsk. Ce SMR de sélection rapide est destiné à démontrer le cycle complet fermé, y compris la fabrication et le retraitement de combustible sur place.

Défis de la commercialisation

Malgré leur promesse, les RMS des éleveurs rapides doivent surmonter un certain nombre d'obstacles importants avant de devenir commercialement viables.

Matériaux et corrosion

Les alliages modernes, tels que les aciers à dispersion renforcée par l'oxyde (ODS), les aciers martensitiques ferritiques et les superalliages à base de nickel, sont testés, mais les données de performance à long terme dans des conditions prototypiques sont limitées. Le comportement du combustible (oxyde mixte, métal ou nitride) sous forte combustion et fluence rapide est également un domaine de recherche en cours.

Gestion du liquide de refroidissement métallique

Les produits de refroidissement au sodium doivent être strictement contrôlés par l'oxygène et les impuretés pour prévenir la corrosion et le branchement des canaux à débit étroit.Les incendies de sodium demeurent un danger distinct, bien que les conceptions comprennent maintenant des systèmes avancés de détection des fuites, de canalisations à double paroi et de gaz de couverture inerte.Pour les produits de refroidissement au plomb et à l'EBL, les questions comprennent l'érosion des aciers structurels par un débit de grande vitesse, le dépôt de scories d'oxyde de plomb et la gestion du polonium-210 (émetteur d'alphas à forte radiotoxicité).

Licence réglementaire

Les cadres de délivrance de permis actuels sont fortement fondés sur l'expérience des RL et les adapter aux réacteurs à spectre rapide refroidis par des métaux liquides constituent une entreprise importante. Les organismes de réglementation doivent élaborer de nouveaux critères de sûreté pour des phénomènes tels que la réactivité positive du vide de liquide de refroidissement (dans certaines conceptions de RL), les interactions entre les métaux liquides et l'eau et la manutention des combustibles métalliques à forte combustion. La Commission de réglementation nucléaire des États-Unis a entrepris des activités de pré-autorisation pour plusieurs conceptions de RL mais n'a pas encore terminé un examen complet.

Viabilité économique

Les coûts élevés de la construction nucléaire ont été une barrière persistante. Les RMR des éleveurs rapides, avec leurs matériaux avancés et leur cycle complexe de combustible, peuvent avoir des coûts en capital plus élevés d'une nuit par kilowatt que les RMR des producteurs plus simples. Les promoteurs soutiennent que les économies du cycle du combustible (réduction des coûts d'enrichissement de l'uranium et d'élimination des déchets) et la capacité de générer des revenus du recyclage du combustible usé compenseront les coûts initiaux plus élevés.

Infrastructure du cycle du combustible

Pour tirer pleinement parti des avantages de l'élevage, les RMS des éleveurs rapides doivent être intégrés à un cycle de combustible fermé, ce qui signifie construire ou adapter des usines de retraitement capables de traiter des combustibles usés hautement brûlés et hautement radioactifs. De nombreux pays ne disposent pas de cette infrastructure, et de nouvelles installations (comme le pyrotraitement ou le retraitement aqueux des combustibles métalliques) nécessiteront des investissements importants et des approbations réglementaires.

Évolution de la situation mondiale et perspectives d ' avenir

Plusieurs pays et consortiums internationaux font avancer des projets de démonstration de la RSM pour les éleveurs rapides.

  • La Russie est le premier réacteur rapide au monde à fonctionner rapidement. Outre le BN-800, le BREST-300 est en voie d'être le premier réacteur rapide refroidi au plomb intégré à un cycle de combustible fermé. Le Sibérie Chemical Combine construit un module expérimental de fabrication et de retraitement du combustible pour le projet Proryv.
  • L'Inde prévoit une flotte de réacteurs de sélection rapide de 500 MWe après le début de l'exploitation du PFBR. L'Inde travaille également sur des conceptions de petits réacteurs rapides pour des rôles spécialisés, dont un réacteur rapide alimenté en métal de 125 MWe.
  • Le Canada est devenu une juridiction attrayante pour le déploiement de la RMS, avec un cadre réglementaire souple et un solide soutien gouvernemental. L'ARC-100 et le SEELER font l'objet d'un examen détaillé.
  • États-Unis a repris son activité de développement de réacteurs rapides dans le cadre du Programme avancé de démonstration de réacteurs (ARDP).En 2020, le ministère de l'Énergie a accordé un financement à parts de coûts à TerraPower (une collaboration avec GE Hitachi) pour le Réacteur Natrium, un réacteur rapide refroidi au sodium de 345 MWe couplé à un système de stockage de sel fondu.

Le Forum international de la génération IV continue de promouvoir le développement rapide du réacteur, le réacteur rapide refroidi au plomb et le réacteur rapide refroidi au sodium étant tous deux désignés comme systèmes Gen-IV. Des collaborations internationales sur les essais de matériaux, la qualification du combustible et l'analyse de la sûreté sont en cours sous les auspices de l'AIEA et de la génération IV du GIF.

Rôle dans la réduction des déchets nucléaires

Un moteur convaincant pour les RSM d'élevage rapide est leur capacité à incinérer les déchets transuraniques à longue durée de vie à partir de combustibles usés LWR existants. Au lieu d'un dépôt géologique profond pendant des centaines de milliers d'années, le cycle de combustible rapide fermé peut réduire le temps de décroissance à 300-500 ans.

Gestion du plutonium et non-prolifération

Par exemple, la conception PRISM est considérée comme une solution potentielle pour le stock de plutonium du Royaume-Uni, et des études similaires existent pour le plutonium des États-Unis. La communauté internationale examine attentivement les risques de prolifération de tous les cycles de combustible des réacteurs rapides, mais le champ de rayonnement élevé et le mélange isotopique de plutonium de qualité réacteur (qui contient généralement du Pu-240, un émetteur de neutrons puissant) le rendent beaucoup moins attrayant pour les armes que le plutonium de qualité militaire.

Conclusion

Les réacteurs à génération rapide, lorsqu'ils sont réduits et modulés, représentent une évolution stratégique de l'énergie nucléaire, qui offre la perspective d'une indépendance énergétique, de cycles de combustible durables et de réductions spectaculaires des déchets nucléaires. Bien que des défis techniques, économiques et réglementaires importants subsistent, les progrès en matière de science des matériaux, de fabrication avancée et de coopération internationale s'accélèrent. Des projets de démonstration comme ARC-100, BREST-300 et Natrium fourniront des données essentielles dans le monde réel pour valider les performances et les coûts.