En convertissant l'uranium non fissiles-238 en plutonium-239, ces réacteurs peuvent produire plus de combustible qu'ils ne consomment. Cette capacité s'harmonise directement avec les principes d'une économie circulaire, où les matériaux sont réutilisés en permanence et les déchets sont réduits au minimum. Dans le contexte nucléaire, les réacteurs d'élevage rapide offrent une voie vers la fermeture du cycle du combustible, réduisant la nécessité de nouvelles mines et réduisant considérablement le volume et la toxicité des déchets radioactifs à longue durée de vie.

Qu'est-ce que les réacteurs rapides?

Les réacteurs à régénérer rapide (FBR) sont une classe de réacteurs nucléaires qui utilisent des neutrons rapides, des neutrons à énergie cinétique supérieure à 1 MeV environ, pour soutenir une réaction en chaîne de fission. Ceci est fondamentalement différent de la grande majorité des réacteurs à puissance en service, qui comptent sur des neutrons ralentis (modérés) aux énergies thermiques par l'eau, le graphite ou d'autres matériaux.

L'uranium naturel est composé d'environ 99,3 % d'uranium-238 et seulement 0,7 % d'uranium-235, l'isotope qui peut supporter des réactions en chaîne avec des neutrons thermiques. Dans un réacteur à eau légère classique, seul l'uranium-235 est utilisé efficacement, laissant la plupart de l'uranium comme déchet. Dans un réacteur à haute énergie, les neutrons peuvent convertir l'uranium-238 en plutonium-239 par capture de neutrons, puis en bêta-dégradation. Plutonium-239 est fissile et peut être utilisé comme combustible. En entourant le noyau du réacteur avec un « joint » d'uranium-238, le réacteur peut produire plus de plutonium-239 que la matière fissile qu'il consomme, d'où le nom de « consumer ».

Le rapport de reproduction, la quantité de matières fissiles produites par unité consommée, peut dépasser 1,0, généralement de 1,04 à 1,2 dans des FBR bien conçus. Au cours de la vie du réacteur, cela signifie qu'il peut générer du combustible supplémentaire pour démarrer d'autres réacteurs ou recycler dans son propre noyau.Cette capacité de multiplier l'énergie utilisable à partir de l'uranium par un facteur de 50 à 100 par rapport aux réacteurs thermiques une fois par jour est la promesse centrale de la technologie de sélection rapide.

Comment les réacteurs rapides de génération se différencient des réacteurs thermiques

Spectre de neutrons et cycle du combustible

La distinction fondamentale réside dans l'énergie neutronique. Les réacteurs thermiques ralentissent les neutrons à environ 0,025 eV, ce qui maximise la probabilité de fission de l'uranium 235 et du plutonium 238, mais conduit aussi à une plus grande probabilité de capture parasitaire dans les produits de fission et les matériaux structurels. Les réacteurs rapides maintiennent les neutrons à haute énergie, ce qui réduit la section transversale d'absorption des neutrons des produits de fission et permet une conversion efficace de l'uranium 238.

Sélection du liquide de refroidissement

Pour éviter les neutrons modérants, les FBR ne peuvent pas utiliser l'eau comme liquide de refroidissement. L'eau est un excellent modérateur en raison de sa teneur en hydrogène. Au contraire, les réacteurs rapides utilisent des réfrigérants à faible puissance de modulation, comme le sodium liquide (le plus courant), le plomb liquide ou le bismuth de plomb, et dans des conceptions avancées, le gaz d'hélium ou les sels fondus. Le sodium a d'excellentes propriétés de transfert de chaleur et un point d'ébullition élevé, permettant le fonctionnement du réacteur à pression atmosphérique.

Configuration de base et conception du carburant

Les noyaux rapides des réacteurs sont plus compacts que les noyaux thermiques des réacteurs, car le chemin libre moyen des neutrons rapides est plus long, ce qui exige une densité de production plus élevée pour atteindre la criticité. Le combustible est généralement constitué d'oxydes mixtes (MOX) d'uranium et de plutonium, mais des combustibles métalliques (par exemple, des alliages d'uranium-plutonium-zirconium) ou des combustibles nitreux sont également en cours de développement.

L'économie circulaire et les matières nucléaires

L'économie circulaire est un modèle économique qui vise à maintenir les ressources en exploitation aussi longtemps que possible, à en extraire la valeur maximale, puis à récupérer et régénérer les produits et les matériaux en fin de vie. Dans l'industrie nucléaire, cela se traduit par la fermeture du cycle du combustible nucléaire : au lieu de traiter le combustible usé comme un déchet, il est retransformé pour récupérer l'uranium et le plutonium utilisables, et les produits de fission restants et les petits actinides sont gérés plus efficacement.

Les réacteurs à régénérer rapide sont au cœur de cette vision : ils peuvent consommer le plutonium récupéré du combustible usé conventionnel et brûler les actinides mineurs de longue durée, réduisant de centaines de milliers à quelques centaines d'années le temps d'isolement des déchets de haute activité dans l'environnement. Cet alignement sur les principes de l'économie circulaire suscite un intérêt renouvelé pour les RFA provenant de pays dotés de grands programmes nucléaires, tels que l'Inde, la Russie, la Chine, le Japon, la France et le Royaume-Uni.

Recyclage dans les réacteurs à génération rapide

Le processus de recyclage commence par le retraitement du combustible usé. Le combustible usé rejeté par un réacteur thermique contient environ 1 % de plutonium, 95 % d'uranium (principalement de l'uranium-238), et 4 % de produits de fission et d'actinides mineurs.Dans un cycle conventionnel une fois par la suite, ce mélange est destiné à être éliminé directement par la géologie.

Les réacteurs rapides utilisent alors ce plutonium recyclé comme combustible de base. La matière de couverture – l'uranium appauvri – est également retransformée pour extraire le plutonium nouvellement élevé après irradiation. Les méthodes modernes de retraitement (comme PYROX, UREX+ et DIAMEX-SANEX) visent à séparer non seulement l'uranium et le plutonium, mais aussi le neptunium, l'americium et le curium. Ces petits actinides peuvent ensuite être incorporés dans le combustible du réacteur rapide et transmutés (brûlés) en produits de fission à vie plus courte.

Avantages du recyclage avec des FBR

  • Efficacité énergétique accrue:[ Un réacteur à semis rapide peut extraire environ 60 à 70 % de la teneur en énergie de l'uranium, comparativement à moins de 1 % dans un réacteur à eau légère à une seule fois.
  • Réduction des déchets radioactifs à longue durée de vie:[ En brûlant du plutonium et des actinides mineurs, le volume et la radiotoxicité des déchets de haute activité peuvent être réduits de plus de 90 %.
  • Indépendance des ressources:[ Les pays sans abondance de minerai d'uranium peuvent utiliser les stocks de combustible usé existants comme ressource, ce qui améliore la sécurité énergétique.
  • Durabilité:[ Avec l'élevage, les ressources disponibles en uranium peuvent alimenter la civilisation pendant des millénaires, faisant de l'énergie nucléaire une ressource de type renouvelable.
  • Impression environnementale réduite:[ Moins d'exploitation minière, de fraisage et d'enrichissement sont nécessaires, réduisant ainsi les impacts écologiques du cycle du combustible nucléaire.

Défis et obstacles

Malgré leurs avantages indéniables, les réacteurs à régénérer rapide n'ont pas été largement déployés. Plusieurs obstacles techniques, économiques et sociétaux subsistent.

Défis techniques et opérationnels

Les réacteurs rapides fonctionnent à des températures plus élevées et avec des rayonnements neutrons plus intenses que les réacteurs thermiques.Cela impose des exigences extrêmes aux matériaux : revêtement de combustible, composants structuraux essentiels et systèmes de refroidissement doivent résister au gonflement, à l'embrasement et à la corrosion au cours des décennies. Le liquide de refroidissement au sodium présente des risques d'incendie et d'explosion, nécessitant des systèmes de sécurité élaborés.

Facteurs économiques

Les coûts en capital élevés, combinés au faible prix de l'uranium et à l'abondance actuelle de la capacité d'enrichissement, ont rendu les RAB non rentables sur la plupart des marchés. L'avantage économique total de la reproduction n'est réalisé que lorsque les prix de l'uranium augmentent de façon significative ou lorsque le coût de l'élimination des déchets devient entièrement internalisé. De plus, l'infrastructure de retraitement et de fabrication du combustible est coûteuse et exige un engagement à long terme des gouvernements ou des services publics.

Risques de prolifération

Le plutonium produit dans les réacteurs à semi-conducteurs rapides peut être détourné pour être utilisé à des fins d'armement si ce n'est pas correctement protégé. Si le plutonium de qualité réacteur est moins adapté aux armes que les matières de qualité armement, il pourrait encore être utilisé par des acteurs étatiques ou des groupes terroristes sophistiqués.

Perception et politique du public

L'énergie nucléaire est globalement confrontée au scepticisme public dans de nombreux pays, et les réacteurs à sélection rapide sont souvent associés à la production de plutonium pour les armes. De plus, les longs délais de développement et le coût élevé des projets de démonstration les rendent politiquement sensibles. L'appui politique s'est levé et a diminué – les États-Unis ont annulé le réacteur Clinch River Breeder en 1983, et la France a abandonné le réacteur Superphénix en 1997.

Projets en cours et perspectives d'avenir

Plusieurs pays développent activement des réacteurs à semis rapide et des infrastructures associées au cycle du combustible.

Russie: le BN-800 et le BN-1200

La Russie exploite le réacteur rapide BN-800, un réacteur de 880 MWe à la centrale nucléaire de Beloyarsk, qui a démarré en 2016. Il utilise du liquide de refroidissement au sodium et du combustible MOX et a été utilisé pour tester les technologies de retraitement et brûler des actinides mineurs. La Russie prévoit de construire un réacteur plus grand BN-1200 et développe également un réacteur rapide refroidi au plomb (BREST-300) dans le cadre d'une démonstration du cycle du combustible fermé sur le site de l'OPEP.

Inde : PFBR et au-delà

L'Inde a un programme nucléaire en trois étapes conçu pour maximiser l'utilisation de ses réserves abondantes de thorium, avec des réacteurs de sélection rapide comme deuxième étape. Le réacteur rapide de 500 MWe Prototype (PFBR) à Kalpakkam est en voie de mise en service après une construction extensive. L'Inde envisage une flotte de FBR pour produire du plutonium et charger des couvertures de thorium pour produire de l'uranium 233 pour la troisième étape des réacteurs avancés.

Chine : Réacteurs expérimentaux et de démonstration

La Chine exploite le réacteur à réaction rapide expérimental de la Chine (CEFR), un réacteur de 65 MW de type piscine refroidi au sodium qui a atteint la criticité en 2010. Un réacteur de démonstration plus grand, le CFR-600, est en construction et devrait démarrer au milieu des années 2020.

Europe : ASTRID et MYRRHA

Le projet français ASTRID (Advanced Sodium Technological Reactor for Industrial Demonstration) a pour objectif de construire un réacteur rapide refroidi au sodium de 600 MWe en remplacement de Phénix et de Superphénix. Cependant, en 2019, le projet a été suspendu en raison de contraintes budgétaires et de priorités en évolution.

Initiatives internationales

Le Forum international de la génération IV (GIF) propose des réacteurs rapides comme principaux candidats : le réacteur rapide à calorifuges au sodium (SFR), le réacteur rapide à calorifuges au plomb (LFR) et le réacteur rapide à calorifuges au gaz (GFR).

Conclusion : Vers une énergie nucléaire durable

Les réacteurs à semi-conducteur rapide ne sont pas seulement une curiosité technique, mais sont le pivot d'une économie circulaire nucléaire. En convertissant l'uranium fertile-238 en plutonium fissiles et en brûlant les déchets transuraniques de longue durée des réacteurs conventionnels, les FBR peuvent réduire de façon spectaculaire le volume et la toxicité des déchets nucléaires tout en étendant les ressources en uranium par ordre de grandeur.

Néanmoins, le déploiement commercial est long et coûteux. Les échecs passés et les coûts élevés en capital ont tempéré l'enthousiasme, mais les engagements renouvelés en Russie, en Inde et en Chine démontrent que la technologie est viable lorsqu'elle est soutenue par une politique cohérente et une infrastructure intégrée.

Alors que le monde recherche des sources d'énergie à faible intensité de carbone qui peuvent fonctionner en permanence, les réacteurs à génération rapide offrent une combinaison unique de puissance de base, de recyclage du combustible et de réduction des déchets. Leur succès dépendra de la coopération internationale, de l'acceptation publique et des conditions économiques qui rendent l'élevage attrayant.