Les réacteurs à sels fondus pourraient sauver l'énergie nucléaire

Nov 12, 2023

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Les réacteurs à sels fondus, un type de réacteur nucléaire exploré pour la première fois dans les années 1950, pourraient être l'avenir de l'énergie propre - si nous pouvons surmonter les problèmes qui les ont retenus pendant plus d'un demi-siècle.

La fission nucléaire se produit lorsqu'un neutron percute le noyau d'un atome, divisant l'atome. Cela libère une énorme quantité d'énergie, ainsi que des neutrons supplémentaires qui peuvent ensuite diviser plus d'atomes, créant une réaction de fission auto-entretenue.

Les réacteurs nucléaires contrôlent le processus de fission afin que l'énergie, libérée sous forme de chaleur, puisse être utilisée pour faire bouillir de l'eau, créant de la vapeur qui peut faire tourner des turbines génératrices d'électricité.

Le processus ne crée pas d'émissions de carbone et peut avoir lieu que le soleil brille ou que le vent souffle, faisant de l'énergie nucléaire un ingrédient potentiellement important pour un avenir énergétique propre.

Il faut environ 7 ans et 10 milliards de dollars pour construire une centrale nucléaire comme celles que nous avons déjà.

Cependant, aujourd'hui, le nucléaire ne représente que 10,3 % de la production mondiale d'électricité, et le nombre de fermetures de réacteurs dépasse le nombre de constructions.

Cela s'explique en partie par le fait qu'il faut environ 7 ans et 10 milliards de dollars pour construire une nouvelle centrale nucléaire comme celles que nous avons déjà, et certains exploitants potentiels hésitent à faire un investissement aussi important, surtout lorsque l'électricité à partir de gaz naturel et les énergies renouvelables deviennent moins chères.

Dans le même temps, de nombreuses constructions potentielles sont repoussées par un public préoccupé par la possibilité d'une catastrophe nucléaire, comme Tchernobyl ou Fukishima, malgré le fait que l'énergie nucléaire est historiquement beaucoup plus sûre que le charbon ou le gaz naturel.

Pour augmenter la quantité d'électricité générée par la fission nucléaire, nous devrons peut-être repenser la façon dont nous l'exploitons.

Dans la plupart des centrales nucléaires d'aujourd'hui, l'eau est pompée sous haute pression vers le cœur du réacteur où les pastilles de combustible enfermées dans des tiges métalliques subissent une fission. Cela chauffe l'eau à environ 600 F, mais la haute pression empêche l'eau de bouillir.

L'eau liquide super chaude est ensuite pompée dans une chambre contenant plus d'eau. Sa chaleur fait bouillir cette eau, créant la vapeur nécessaire pour faire tourner les turbines. L'eau plus froide retourne ensuite dans la chambre à combustible pour être réchauffée afin que le cycle puisse continuer.

La haute pression nécessaire pour maintenir l'eau super chaude sous forme liquide augmente la probabilité d'une fuite, et si de l'eau s'échappe, le carburant peut surchauffer, faire fondre les tiges de confinement et potentiellement libérer des matières radioactives dans l'eau et l'environnement.

Pour éviter cela, les réacteurs nécessitent de nombreux systèmes de secours et des redondances, ce qui augmente encore leur coût et leur complexité.

On s'attend à ce que les réacteurs à sels fondus soient moins chers à construire et encore plus fiables que les centrales nucléaires d'aujourd'hui.

Cette conception n'est pas notre seule option, cependant.

Dans les années 1950, des chercheurs américains ont commencé à explorer le concept des réacteurs à sels fondus, qui utilisent du sel fondu - du sel solide à température ambiante, mais liquide à haute température - à la place de l'eau comme matériau transférant la chaleur et maintenant le combustible à un niveau stable. température.

Le type de sel proposé pour ces réacteurs reste liquide à des températures aussi élevées que 2 500 F - sans aucune pressurisation. Cette température plus élevée augmenterait l'efficacité du réacteur et générerait plus d'électricité, tandis que l'absence de pressurisation réduirait le risque de fuite.

Le combustible nucléaire ne peut pas fondre s'il est déjà liquide.

Au lieu de barres de combustible solide, séparées de l'eau qui transporte la chaleur, certaines conceptions de réacteurs à sel fondu exigent que le combustible soit dissous dans le sel fondu lui-même.

Cela élimine le risque de fusion - le carburant ne peut pas fondre s'il est déjà liquide - et s'il y avait une fuite, tout sel et carburant qui s'échappaient se solidifieraient rapidement dans la roche en refroidissant. Ce serait plus facile à nettoyer que l'eau ou la vapeur radioactive libérée en cas de fuite d'un réacteur à eau sous pression.

Les conceptions de réacteurs à sels fondus incluent également une fonction de sécurité appelée "vanne de congélation" ou "bouchon de congélation". Ce bouchon sépare le mélange de sel fondu au-dessus d'un réservoir de rétention en dessous. Si jamais le mélange devient trop chaud, la vanne fond et le sel fondu tombe dans le réservoir sous l'effet de la gravité, ce qui arrête une catastrophe même si tous les systèmes de secours sont tombés en panne.

Bien que nous ne sachions pas avec certitude ce qu'il en coûterait pour construire un réacteur à sels fondus, les analystes s'attendent à ce que la construction soit moins chère que les réacteurs à eau standard puisque la conception comprend moins de pièces.

Les réacteurs peuvent également être plus fiables - les réacteurs d'aujourd'hui doivent généralement être mis hors ligne tous les 18 à 24 mois pour le ravitaillement, mais le combustible usé dissous dans du sel fondu pourrait potentiellement être traité et du nouveau combustible ajouté pendant que le réacteur était opérationnel.

Cependant, la promesse des réacteurs à sels fondus n'a pas encore été réalisée.

"Même aujourd'hui, aucun matériau ne peut fonctionner de manière satisfaisante dans l'environnement à rayonnement élevé, à haute température et corrosif à l'intérieur d'un réacteur à sel fondu."

Des chercheurs du Laboratoire national d'Oak Ridge ont construit le premier réacteur à sels fondus de preuve de concept capable de fission auto-entretenue, le Molten Salt Reactor Experiment (MSRE), en 1965.

Mais au cours des quatre années suivantes, il a été fermé de manière inattendue 167 fois - principalement en raison de problèmes techniques impliquant divers composants - et en 1969, il a été fermé définitivement.

Si ces problèmes techniques ne s'étaient pas produits, on ne sait toujours pas combien de temps le réacteur aurait pu résister à un autre problème lié à l'utilisation de sel fondu.

"Même aujourd'hui, aucun matériau ne peut fonctionner de manière satisfaisante dans l'environnement à rayonnement élevé, à haute température et corrosif à l'intérieur d'un réacteur à sels fondus", a écrit l'expert en énergie et ressources MV Ramana dans le Bulletin of the Atomic Scientists en juin 2022.

Personne n'a exploité de réacteur à sels fondus depuis la fermeture du MSRE, mais avec le changement climatique exacerbant le besoin d'une énergie plus propre, nous constatons maintenant un regain d'intérêt pour la conception.

En février 2022, TerraPower, une société d'énergie nucléaire fondée par Bill Gates, et Southern Company, un service public de gaz et d'électricité, ont annoncé qu'ils s'associaient pour construire l'expérience sur le réacteur à chlorure fondu (MCRE) financée par le DOE au laboratoire national de l'Idaho.

Une fois terminé, le MCRE sera le premier réacteur à sel à spectre rapide critique au monde - les réacteurs rapides sont capables de maintenir la fission sans utiliser de modérateur pour ralentir les neutrons libérés pendant le processus de fission, ce qui augmente leur efficacité.

Les données du réacteur d'essai éclaireront le développement du Molten Chloride Fast Reactor de TerraPower - la société prévoit de construire une démonstration de 180 mégawatts de ce système au début des années 2030, ce qui suffirait à alimenter environ 90 000 foyers.

En août 2022, la Chine a autorisé des chercheurs de l'Institut de physique appliquée de Shanghai (SINAP) à démarrer un réacteur expérimental à sels fondus, alimenté par un mélange d'uranium et d'un élément beaucoup plus abondant, le thorium.

"Pour l'instant, il y a suffisamment d'uranium pour alimenter tous les réacteurs en fonctionnement", a déclaré Sylvain David, spécialiste des réacteurs nucléaires, à FRANCE 24 en décembre 2021. "Mais si le nombre de réacteurs augmente, nous pourrions arriver à une situation où l'approvisionnement ne suffirait plus, et l'utilisation du thorium peut réduire considérablement les besoins en uranium."

Alors que le réacteur à sels fondus de SINAP n'est conçu que pour générer suffisamment d'électricité pour environ 1 000 foyers, si les tests se déroulent bien, la Chine est prête à construire une version plus grande qui pourrait alimenter des centaines de milliers de foyers.

En octobre 2022, des chercheurs de l'Université Brigham Young ont annoncé la conception d'un réacteur à sel fondu qui, selon eux, est suffisamment puissant pour alimenter 1 000 foyers américains en électricité – et suffisamment petit pour tenir dans le lit d'un camion de 40 pieds.

Cette petite taille serait vraisemblablement beaucoup moins chère et plus simple à construire qu'une centrale nucléaire standard et pourrait faciliter l'acheminement de l'énergie nucléaire vers des régions éloignées, mais il n'y a actuellement aucun plan en place pour construire l'un des réacteurs.

Le chercheur de BYU, Matthew Memmott, a cependant déclaré au registre que son équipe avait également développé une méthode pour rendre le sel moins corrosif en en éliminant l'eau et l'oxygène. Ils se sont déjà associés au San Rafael Energy Research Center de l'Utah pour construire un centre de raffinage du sel pour les opérateurs de réacteurs à sel fondu, qu'ils soient mini ou de grande taille.

Ce ne sont là que quelques-uns des nombreux groupes qui examinent de plus près les réacteurs à sels fondus, mais même si un ou plusieurs de leurs modèles sont construits, nous ne saurons pas avant un certain temps s'ils ont réussi à surmonter le problème de corrosion qui a longtemps retenu la technologie.

"Le problème avec les produits corrosifs, c'est qu'on ne se rend compte de leurs dégâts que cinq à dix ans après", a déclaré à FRANCE 24 Francesco D'Auriam, spécialiste de la technologie des réacteurs nucléaires à l'université de Pise.

Si les chercheurs d'aujourd'hui peuvent construire un réacteur à sels fondus qui résiste à la corrosion et surmonte les défis techniques rencontrés par le MSRE, le dispositif pourrait augmenter la quantité d'électricité générée par la fission nucléaire - et nous rapprocher d'un avenir énergétique propre.

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