Les réacteurs rapides , livre ebook

Notre monde surchauffe et nous savons pourquoi, depuis plus de 30 ans. Le remplacement des énergies fossiles est indispensable et se fera par l’électricité. Les énergies renouvelables, à cause de leur caractère aléatoire, ne peuvent assurer seules une production adaptée à la demande. Le nucléaire est alors indispensable pour assurer cette réponse en temps réel, même de nuit et par jours sans vent. Les besoins sont énormes et le nucléaire actuel, à base de réacteurs à eau, ne pourra y répondre en totalité. Seuls les réacteurs à neutrons rapides, en complément des réacteurs à eau, pourront produire, à partir des déchets issus de ces réacteurs, notre énergie de manière quasi illimitée et sans besoin de mines d’uranium. Ils permettront aussi de réduire le volume et la nocivité de ces mêmes déchets. Ces réacteurs ne sont pas un rêve, ils en existent et ils fonctionnent. Il devient urgent de les construire pour assurer notre futur.
Préface de Yves Bréchet

Préface. ..................................... 10

Avant-propos. .......................... 13

Remerciements. ...................... 15

Chapitre 1

Quelle énergie pour l’Homo sapiens sur sa planète ?

Un peu d’histoire. ...................... 18

Le réchauffement climatique. ............................................................................................. 19

Fonte des glaciers et des pôles. ............................................................................... 20

Montée des eaux. ........... 20

Événements climatiques exceptionnels. ................................................................. 20

Acidification de l’Océan. ............................................................................................. 21

Désertification et bouleversement climatique. ...................................................... 21

Quels besoins énergétiques pour le futur ?. ..................................................................... 22

Le retour de la fée électricité ?. .......................................................................................... 23

De l’énergie électrique sans production de CO2 ?. .......................................................... 23

Un monde alimenté par les seules énergies renouvelables ?. ....................................... 25

Et le bois ?. ................................. 27

De nouvelles recherches pour le futur ?. ........................................................................... 27

Et le nucléaire ?. ........................ 28

Le nouveau nucléaire ?. ............ 29

Conclusion................................. 30

Chapitre 2

Nos déchets nucléaires vont-ils passer à la poubelle ou fournir notre énergie pour des milliers d’années ?

Rappel sur les fissiles et fertiles. ........................................................................................ 34

Rappel sur le principe des réacteurs rapides. ................................................................. 34

Cycle du combustible des réacteurs à eau fonctionnant sans retraitement du combustible usé (cycle ouvert). .................................................................................... 36

Fonctionnement des réacteurs à eau avec retraitement du combustible usé (cycle avec monorecyclage du plutonium). ...................................................................... 37

Multirecyclage en REP. ............ 39

Le chaînon manquant du nucléaire français (ou la simplification du cycle REP). ...... 40

Rappel sur le cycle du combustible des réacteurs rapides. .......................................... 41

Bilan des avantages apportés par les réacteurs rapides. ............................................. 43

Coût d’approvisionnement et indépendance énergétique. ................................ 43

Des réacteurs qui n’ont plus besoin d’exploitation minière

et d’enrichissement de combustible. ....................................................................... 44

Une énergie presque illimitée. ................................................................................... 44

Une énergie dont les rejets chimiques sont nuls lors du fonctionnement des réacteurs. ................. 45

Un fonctionnement qui minimise la dosimétrie du personnel. ............................ 46

Une énergie qui réduit la quantité finale de déchets radioactifs. ..................... 46

Une énergie qui peut réduire drastiquement la durée de dangerosité

des déchets nucléaires ultimes. ............................................................................... 46

Une empreinte faible sur l’environnement. ...................................................................... 48

Conclusion................................. 49

Chapitre 3

Les réacteurs rapides existent, je les ai rencontrés

Generation IV International Forum (GIF). ........................................................................... 52

Les réacteurs à haute température (HTR). ...................................................................... 53

Les réacteurs à eau supercritique (SCWR). ..................................................................... 55

Les réacteurs rapides au gaz (GFR). ................................................................................. 56

Les réacteurs au plomb (LFR). ............................................................................................. 58

Les réacteurs rapides à sodium (SFR). .............................................................................. 61

Les réacteurs à sel fondu (MSR). ....................................................................................... 62

Conclusion................................. 64

Chapitre 4

Analyse des raisons de l’échec d’implantation des réacteurs rapides dans le monde en 2024

Bilan en 2024 des réacteurs rapides dans le monde. ..................................................... 68

Les difficultés techniques des réacteurs au plomb. ....................................................... 70

Les difficultés techniques de la filière sodium. ................................................................ 70

Le surcoût par rapport aux REP......................................................................................... 72

La domination industrielle des REP. ................................................................................... 72

Des problèmes spécifiques de sûreté ?. ........................................................................... 73

La résistance à la prolifération. .......................................................................................... 75

Investissements lourds. ........... 77

Existence d’usines de retraitement. ........................................................................ 77

Fabrication du combustible de réacteur rapide. ................................................... 78

Le cas de Superphénix. .. 80

L’acceptation sociale. .............. 80

La perte de compétences. ...... 80

La disponibilité et le coût de l’uranium. ............................................................................. 81

Conclusion................................. 84

Chapitre 5

Un point sur les rapides sodium (SFR) en Europe, en 2024

Introduction. .............................. 88

Avantages et inconvénients du sodium. ........................................................................... 88

Le retour d’expérience des SFR. ......................................................................................... 90

Un peu d’histoire : d’EFR à ESFR SMART. ........................................................................... 91

Retour au générateur de vapeur modulaire. .......................................................... 91

Adoption d’une dalle épaisse. .................................................................................... 91

Suppression de la cuve de sécurité. ........................................................................ 92

4 Les réacteurs rapides

Fixation des gros composants. ................................................................................. 92

Boucles secondaires. ..... 92

Manutention.................... 92

Méthodologie générale du projet ESFR SMART. .............................................................. 92

Résultats du projet ESFR SMART. ....................................................................................... 93

ASTRID et le coeur d’ESFR SMART. ............................................................................ 93

Circuit primaire............... 94

Évacuation de la puissance résiduelle. .................................................................... 99

Circuits secondaires. ..... 101

Disposition générale. ...... 104

Manutention.................... 105

Bilan final des simplifications. .................................................................................... 105

Bilan final des systèmes passifs. .............................................................................. 106

Mitigation des accidents graves. ............................................................................. 106

Bilan sûreté. ..................... 107

Pré-calculs et documentation. .................................................................................. 108

ESFR SIMPLE : une introduction à un SFR SMR européen.............................................. 109

Déploiement. .............................. 110

Conclusion................................. 112

Chapitre 6

Les réacteurs rapides au plomb (LFR)

Historique. .................................. 116

Les réacteurs au plomb dans le monde en 2024. ............................................................ 118

Les avantages et inconvénients du plomb comme caloporteur. .................................. 119

Comparaison générale avec le sodium. ................................................................... 119

Composition isotopique. ............................................................................................. 119

La chimie. .......................... 120

La densité. ........................ 120

Plage de températures. .............................................................................................. 121

Plomb et matériaux. ................. 121

Le projet BREST. ........................ 122

Le projet NEWCLEO. ................. 124

Caractéristiques générales du projet. .................................................................... 124

Les choix technologiques de base pour le LFR-AS-200. ....................................... 126

Le LFR-AS-30. ................... 129

Propositions de très petits réacteurs. .................................................................... 130

Conclusion................................. 132

Chapitre 7

Point sur les réacteurs à sels fondus : RSF

Principe de fonctionnement des réacteurs à sels fondus. ........................................... 136

Les différents types de sels combustibles possibles. .................................................... 137

Choix du fissile. ............... 137

Choix du fertile. ............... 137

Choix du sel. ..................... 138

Choix final. ........................ 138

Retour d’expérience sur les réacteurs à sels fondus : le MSRE. ................................... 139

Avantages potentiels des MSR rapides............................................................................ 141

Utilisation des déchets du cycle. .............................................................................. 141

Minimisation des déchets finaux. ............................................................................. 141

Sûreté. .............................. 141

Indépendance énergétique de la France. ............................................................... 141

Suivi de réseau, compatibilité avec les ENR. .......................................................... 142

Coût, compétitivité économique. ............................................................................. 142

Conclusion. ....................... 142

Challenges techniques. ........... 143

Chimie des sels. ............... 143

Séparation isotopique... 143

Fabrication du sel combustible. ................................................................................ 144

Retraitement du sel combustible............................................................................. 144

Choix des matériaux. ...... 145

Neutronique et thermohydraulique. ......................................................................... 145

Gestion des gaz de fission. ........................................................................................ 146

Les composants. ............. 146

L’instrumentation. ........... 147

Conclusion. ....................... 148

6 Les réacteurs rapides

Choix de design........................ 148

Choix du sel intermédiaire. ........................................................................................ 148

Mode de remplissage et de démarrage. ................................................................. 149

Vidange. ............................ 149

Barres de commande. .... 149

Protection neutronique. ............................................................................................. 150

Utilisation de couvertures radiales. ......................................................................... 150

Convection naturelle ou forcée du sel combustible ?. .......................................... 150

Conclusion. ....................... 150

Approche de sûreté et licensing........................................................................................ 151

Les projets mondiaux. .............. 152

En Russie. ......................... 152

En Chine. ........................... 152

Aux États-Unis et au Canada. ................................................................................... 153

Les start-up françaises. .......... 153

NAAREA............................. 154

Stellaria. ............................ 156

Conclusion................................. 156

Conclusion

Souveraineté, durabilité, écologie et simplicité

Annexe 1 : Enseignements tirés de l’exploitation des réacteurs rapides

refroidis au sodium. ................ 163

Réactions sodium/eau. ............ 163

Opérations de manutention. .. 165

Fonctionnement des composants primaires (pompes et échangeurs). ..................... 166

Fuites et feux de sodium. ........ 166

Entrée d’air ou d’impuretés ou de gaz. ............................................................................. 167

Superphénix. .................... 167

PFR. .................................... 168

BN 600. .............................. 168

CEFR. ................................. 168

Ruptures de gaines. ................. 168

Sommaire 7

Matériaux. .................................. 169

Opérations et contrôle neutronique. ................................................................................. 170

Aérosols de sodium. ................. 171

Conclusion................................. 171

Annexe 2 : Démonstration industrielle du cycle fermé du combustible

d’un réacteur rapide refroidi au sodium. ...................................................................... 173

Expérience de retraitement du combustible Phénix. ..................................................... 173

Données générales. ........ 173

Bilan du retour d’expérience sur les techniques de retraitement. .............................. 174

Démantèlement des assemblages. .......................................................................... 174

Cisaillage des aiguilles. .. 174

Dissolution du combustible. ....................................................................................... 174

Clarification. ..................... 174

Cycles d’extraction. ....... 175

Déchets. ............................ 175

Conclusion sur le retraitement. ................................................................................ 175

Retour d’expérience sur la fabrication du combustible. ................................................ 176

Applications pour les réacteurs du futur. ......................................................................... 176

Annexe 3 : Comparaison des quatre types de combustible possibles

pour les réacteurs rapides à métal liquide : sodium ou plomb. ............................... 177

Introduction. .............................. 177

Le combustible oxyde. ............. 179

Le combustible métallique. ..... 182

Le combustible carbure. .......... 186

Le combustible nitrure. ............ 188

Combustible/fabrication. ........ 190

Combustible/retraitement. ..... 190

Un choix du combustible suivant les applications et la stratégie ?. ............................ 193

Conclusion................................. 194

Annexe 4 : Point sur les matériaux pour un réacteur rapide au plomb. ................ 195

Méthode de protection par contrôle de la teneur en oxygène

(pour les alliages conventionnels). ..................................................................................... 196

Matériaux enrichis au silicium. ..................................... 198

Protection par revêtement d’alumine (coating). ............................................................. 198

Utilisation d’un matériau enrichi à l’aluminium. ................................................................ 198

Matériaux innovants (SiC). ..... 199

Annexe 5 : Présentation du projet de prototype de réacteur au plomb de NEWCLEO, le LFR-AS-30. .. 201

Conditions de fonctionnement. .......................................................................................... 202

Conception de la cuve du réacteur et des internes. ...................................................... 202

Le coeur. ..................................... 203

Ensemble générateur de vapeur (GV) et pompe de circulation. .................................. 206

Barres de contrôle et système d’arrêt du réacteur. ...................................................... 208

Coefficients de contre-réaction. ........................................................................................ 209

L’évacuation de la puissance résiduelle. ........................................................................... 209

Analyse de sûreté. .................... 210

Annexe 6 : Le retour d’expérience des réacteurs à sels fondus : le MSRE. .......... 211

Historique des réacteurs à sels fondus. ........................................................................... 211

Présentation générale du MSRE. .............................................................................. 212

Choix du sel (FLiBe). ................. 213

Les matériaux. ................. 213

Neutronique et écoulements au primaire. ........................................................................ 213

Pompe du sel combustible. ........................................................................................ 215

Extraction de chaleur. .... 216

Extraction des gaz de fission. ................................................................................... 217

Cycle du combustible.............. 217

Retraitement du sel. ....... 217

Bilan final. ................................... 218

Limites du retour d’expérience du MSRE. ......................................................................... 219

Annexe 7 : Quel sel combustible pour un réacteur rapide à sels fondus ?. ........... 221

Introduction. .............................. 221

Éléments fissiles et fertiles. ... 221

Éléments fissiles. ............. 221

Disponibilité et qualité du plutonium....................................................................... 222

Éléments fertiles. ............ 222

L’option couverture fertile. ........................................................................................ 223

Conclusion. ....................... 224

Gammes de choix du sel. ......... 224

Paramètres de choix. ..... 224

Les deux grandes familles. ......................................................................................... 225

Température de fonctionnement et solubilité U/Pu pour les fluorures. ........... 226

En conclusion sur la solubilité dans les sels fluorures. ......................................... 228

Températures de fonctionnement et de solubilité U/Pu pour les chlorures. ... 228

Retraitement des chlorures et des fluorures. ........................................................ 230

Adaptation aux installations nucléaires françaises existantes. ................................... 230

Situation en 2024. ........... 230

Conséquences en termes de stratégie possible à court terme. ....................... 231

Utilisation des actinides mineurs............................................................................. 231

Stratégie à long terme. .. 231

Conclusion................................. 232

Du même auteur. ..................... 234