Réacteurs de IVème génération
Les réacteurs de génération IV sont des réacteurs futuristes, encore à l'état de concepts, sur lesquels s'engagent des recherches coordonnées dans le cadre du Forum International Génération IV.
Le Forum International Génération IV (Generation IV International Forum) a été créé en 2001 par le Département de l'Énergie des États-Unis dans le but d'instaurer une coopération internationale pour le développement des systèmes de production nucléaire du futur.
La mise en service d'un réacteur commercial fondé, sur un de ces concepts, n'est pas envisagée avant 2030.
Ces réacteurs de génération 4 doivent intégrer les critères du développement durable notamment :
- améliorer la sûreté et la fiabilité nucléaire,
- plus respectueux de l'environnement avec réduction des déchets,
- plus économes des ressources naturelles,
- plus économiques : diminuer les coûts de construction et d'exploitation des réacteurs,
- mieux protégés contre les agressions externes.
C'est à dire vaincre la majorité des problèmes liés au nucléaire. Ce sont donc des réacteurs plus sûrs, plus économes et plus propres en théorie.
Nous allons vous présenter les 6 réacteurs nucléaires en projet de la génération IV, ils ont été sélectionnés sur environ cent proposés et seront certainement mis en service vers 2030 pour la plupart :
- Réacteur à neutrons rapides à caloporteur sodium
- Réacteur nucléaire à très haute température
- Réacteur à sel fondu
- Réacteur à eau supercritique
- Réacteur rapide à caloporteur gaz
- Réacteur rapide à caloporteur plomb
1 ) Réacteur à neutrons rapides à caloporteur sodium
Tout d'abord, nous avons le réacteur à neutrons rapides à caloporteur sodium (SFR : Sodium-cooled fast reactor).
Qu'est-ce qu'un réacteur à neutrons rapides.
Un réacteur à neutrons rapides utilise, comme son nom l'indique, des neutrons rapides dont l'énergie cinétique est supérieure à 0,907 MeV. Alors que les réacteurs nucléaires classiques, utilisent des neutrons thermiques d'une énergie inférieure à 0.025 MeV et leur cœur est modéré, ralentit par un modérateur qui leur fait perdre leur énergie par chocs successifs.
Donc les réacteurs à neutrons rapides, ne sont pas ralentit et ainsi perdent moins d'énergie. Leur utilisation limite les captures stériles ( c'est à dire les captures ne donnant pas lieu à une nouvelle fission) ce qui tend à améliorer l’efficacité du réacteur. Au final, ils produisent plus de combustibles qu'ils n'en consomment.
Maintenant voyons de plus près pourquoi avoir choisi le sodium comme caloporteur.
Ce type de réacteur utilise le sodium comme caloporteur et de l'uranium ainsi que du plutonium comme combustible. Un caloporteur étant un liquide qui circule dans le cœur du réacteur pour en évacuer la chaleur et la transmettre à une turbine; permettant ainsi de produire de l'électricité.
Par conséquent, le circuit de refroidissement de ce réacteur est composé de sodium liquide à la place de l'eau, un remplacement pas fait au hasard.
- En effet le choix du sodium comme caloporteur a de nombreux atouts: comme la forte inertie thermique du sodium qui lui permet de stocker la chaleur en cas d'accident de refroidissement évitant ainsi la surchauffe au cœur du réacteur.
- Contrairement à l'eau, le sodium n'a pas besoin d'être sous pression car sa température d'ébullition est élevée, nettement supérieure à la température de fonctionnement du réacteur.
- De plus, l'eau n'est pas un bon caloporteur pour un réacteur à neutrons rapides, vu qu'elle agit en tant que « modérateur » : les neutrons sont alors ralentis quand ils peuvent transférer leur énergie cinétique aux atomes du caloporteur, on perd donc de l'énergie. Un ralentissement d'autant plus important que les masses en collision sont les mêmes. Alors que le sodium présente l'avantage d'une masse atomique plus élevée que celle de l'eau (hydrogène et oxygène), ainsi les neutrons sont moins ralentis.
- En outre, le réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium permet le recyclage des déchets radioactifs en particulier le plutonium et d'autres actinides par transmutation ( Transformation d'un élément chimique en un autre par modification du noyau atomique de l'élément). Ils sont ainsi encore utilisables comme combustibles. Les réserves mondiales d'uranium actuellement estimées à une centaine d'années de consommation pourront alors assurer plusieurs milliers d'années de production d'électricité nucléaire.
De fait de la régénération de la matière fissile dans le coeur, ce type de réacteur permet de fonctionner plus longtemps sans qu'il y est quelques interventions sur le cœur du réacteur, c'est donc un avantage économique essentiel.
Le sodium en tant que caloporteur n'a malheureusement pas que des points forts
L'utilisation du sodium comporte tout de même quelques inconvénients. En effet, c'est une produit chimique très réactif, qui lorsqu'il est chaud ( 200°C) est inflammable au contact de l'air, extrêmement corrosif et peut également exploser au contact de l'eau. Il demande donc des précautions particulières pour maîtriser le feu de sodium.
En 1995, la centrale de Monju a été victime d'un incendie suite à une fuite de sodium.
De plus, l'inspection en service visuel est impossible à cause des métaux opaques.
3) Réacteurs rapides à caloporteur de gaz
Enfin, on a également le réacteur à caloporteur de gaz, utilisant l'hélium: un gaz aux bonnes caractéristiques thermiques.
Ce type de réacteur devrait, lui aussi, cumuler les avantages des réacteur rapides à caloporteur de sodium et, en plus, il aurait la possibilité d'atteindre des températures de l'ordre de 900°C. En effet, le gaz n'a pas de contraintes de température contrairement au sodium ( 550°C max ).
De ce fait, la température en sortie de cœur est d'environ 850 °C. Le rendement attendu serait de 48%, un tel rendement est excellent, à titre de comparaison certaines centrales thermique au charbon ou au bois, ont un rendement de 35%.
4 ) Réacteur à très haute température
Il existe aussi le concept de réacteur à très haute température (Very High Temperature Reactor).
Comment fonctionne t-il?
Ce type de réacteur possède un cœur modéré au graphite dans lequel circule un gaz (hélium). C'est le caloporteur qui entraîne une turbine avec un cycle direct pour la production électrique. Le choix de l'hélium comme caloporteur s'explique par le fait que ce gaz peut atteindre une température de 1000°C, qui se trouve être la température en sortie du réacteur à très haute température.
Le combustible utilisé est de l'uranium faiblement enrichi (8 à 15 %).
Pourquoi a t-il été choisi ?
Son plus grand point fort est le fait qu'il pourrait produire en un an la quantité d'hydrogène (sans émission de CO2) nécessaire pour permettre à un million de véhicules de parcourir environ 150 000 kilomètres chacun. Une production d'hydrogène sans émission de CO2 est bien venue, puisqu'à l'heure actuelle les transports rejettent plus d'un quart des 31 milliards de tonnes de CO2 émises chaque année.
Ainsi ce réacteur pourra réduire massivement les émissions de CO2 liées aux déplacements.
De plus, ce réacteur devrait être sûr de part sa faible puissance volumique (6,5 W/cm3) et par la grande quantité de modérateurs autour du combustible ( le modérateur est l'élément qui ralentit la vitesse des neutrons, permettant ainsi une réaction nucléaire en chaîne efficace). Celui-ci constitue un réservoir de chaleur permettant de temporiser le coeur en cas de perte de réfrigérant.
Ensuite, ce concept devrait être peu coûteux grâce à une construction rapide, réduisant ainsi les prix financiers.
Enfin, il a aussi été choisi pour son rendement élevé, proche de 50 %.
5) Réacteur à sels fondus
A partir de 2011, le réacteur à sels fondus a fait l'objet d'études et de recherches en vue d'un développement comme réacteur de quatrième génération. Mais sa date prévisionnelle d'industrialisation reste plus éloignée que certains des autres concepts étudiés, notamment à cause de son mécanisme complexe encore mal connu.
Comment fonctionne t-il ?
Le réacteur à sels fondus utilise comme combustible du thorium dissous dans le sel. Le liquide de refroidissement (le caloporteur) est également du sel fondu qui va récupérer l'énergie thermique de la réaction pour entraîner une turbine et ainsi produire de l'électricité.
Le réacteur prend la forme d'une cuve métallique contenant le sel à haute température (700 à 900°C) avec une puissance de réacteur qui pourrait atteindre 1000 MWe.
La réaction nucléaire est ainsi déclenchée par la concentration en matière fissile dans le réacteur ou par le passage dans un bloc modérateur en graphite.
Ainsi on a deux types de réacteurs: les réacteurs à neutrons thermiques et les réacteurs à neutrons rapides:
- Réacteurs à neutrons thermiques. Ils utilisent un coeur en graphite qui sert de modérateur, en ralentissant les neutrons trop énergétiques afin qu'ils rencontrent les atomes et provoquent une fission. Lorsque les neutrons ont une trop grande vitesse, ils passent trop vite à proximité des atomes et donc les réactions de fission sont difficiles à obtenir. Elles sont même rares. Ainsi le liquide (sels fondus) devient critique quand il passe dans le cœur en graphite qui sert de modérateur.
- Réacteurs à neutrons rapides. Pour avoir des neutrons plus rapides qui continuent à faire des réactions de fission sans passer "à côté", on peut mettre une charge initiale plus importante de combustibles fissiles, ce qui permet ainsi de se passer de modérateur.
Pourquoi avoir choisi d'étudier ce concept ?
A priori, ce type de réacteur éliminerait ou réduirait de façon considérable la totalité des critiques faites à la filière nucléaire, à savoir la sûreté, les déchets et les faibles réserves de combustibles.
Moins de déchets.
L'utilisation du cycle du thorium ne produit que 0,1 % des déchets hautement radioactifs à longue demi-vie soit mille fois moins qu'un réacteur traditionnel.
Le réacteur à neutrons rapides permet notamment d'utiliser certains déchets nucléaires, réduisant la charge de combustibles fissiles nécessaire pour le démarrage et réduisant la dangerosité des déchets nucléaires.
De plus, les concepts les plus innovants associent au réacteur d'une puissance de 1GW une usine de retraitement qui permettrait d'extraire en continu le sel des produits de fission. Ce sel serait donc traité tous les 10 jours dans le cas d'un réacteur à neutrons thermiques et tous les six mois pour un réacteur à neutrons rapides ( le risque de capture stérile étant plus faible).
Plus de 80% des produits de fission d'un RSF à thorium sont stables en 10 ans, et les moins de 20 % restants ne sont vraiment radioactifs que pendant environ 300 ans. Ce qui simplifie considérablement la problématique du stockage géologique des déchets radioactifs.
Il permet ainsi de minimiser les déchets radioactifs et ne permet pas la prolifération militaire (la mise au point d'une bombe atomique étant délicate et dangereuse).
Plus sûr
Les risques d'accidents sont considérablement réduits, de même que les conséquences.
Les accidents d'emballement avec explosion de vapeur comme à Tchernobyl sont impossibles dans un réacteur à sels fondus. La conception du réacteur avec un cœur sous faible pression de vapeur permet d'éviter l'emballement ou même une fusion du cœur.
Il n'y a donc pas d'eau à haute pression dans le cœur (pas de risque d'explosion d'un gaz d'hydrogène) mais des sels fondus à basse pression, ce qui donne une marge importante avant l'ébullition du réacteur.
Des réserves abondantes
Ce concept utilise des combustibles suffisants pour des millénaires. En effet, le thorium est disponible en quantités 500 fois supérieures à l'uranium 235 issu des réserves conventionnelles.
6) Réacteur supercritique
Pour finir, le Forum International Génération IV a choisi de développer également le réacteur à eau à pression supercritique.
Ce type de réacteur va fonctionner à une puissance élevée ( 1700 MWe : objectif fixé) et va utiliser comme caloporteur de l'eau à l'état supercritique ( température et pression supérieures au point critique).
En effet, en sortie du coeur le caloporteur atteindra une température de 550°C, alors que la température critique de l'eau est de 374°C.
Dans ces conditions, l'eau qui normalement agit comme modérateur et ralentit la réaction, va acquérir les propriétés des gaz et des liquides et va pouvoir ainsi jouer le rôle du caloporteur.
Ce réacteur nous offre un rendement thermodynamique (quantité de chaleur apportée moins quantité de chaleur dissipée sur quantité de chaleur apportée) de 44 %.
Le principal enjeu de recherche concerne la corrosion par l'eau, accélérée par rapport aux réacteurs à eau actuels, du fait d'une température de fonctionnement plus élevée.
Le développement de la fillère du nucléaire ne pourra pas reposer sur le modèle actuel. Par contre ces nouveaux réacteurs en cours de recherche présentent des avantages convenables pour notre futur énergétique, en attendant le développement de la fusion nucléaire.
D'autres types de caloporteurs sont étudiés tel que le plomb ou encore le gaz ( à voir ci-dessous)
2) Réacteur à neutrons rapides, à caloporteur de plomb
Ensuite, voici le réacteur à neutrons rapides à caloporteur de plomb. Le fonctionnement reste le même, seul le caloporteur diffère.
L'utilisation de métal tel que le plomb ou encore le sodium comme caloporteur permet de meilleures performances et donc de meilleurs rendements contrairement à l'eau.
Pourquoi privilégier le plomb plutôt que le sodium ?
Le plomb présente les mêmes avantages et inconvénients que le sodium ( voir précedemment ) . A l'exception qu'il a une très bonne compatibilité avec l'eau et avec l'air. Il est ainsi décrit pas ses concepteurs comme ayant un haut degré de sûreté.
Mais il pose également des problèmes supplémentaires : c'est un liquide très corrosif, les équipements plongés dans le plomb (pompes, gaines, cuves,...) sont difficiles à décontaminer. De plus, il a des performances médiocres pour le transfert thermique.
