Les réacteurs rapides

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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. ..................................... 10Avant-propos. .......................... 13Remerciements. ...................... 15Chapitre 1Quelle énergie pour l’Homo sapiens sur sa planète ?Un peu d’histoire. ...................... 18Le réchauffement climatique. ............................................................................................. 19Fonte des glaciers et des pôles. ............................................................................... 20Montée des eaux. ........... 20Événements climatiques exceptionnels. ................................................................. 20Acidification de l’Océan. ............................................................................................. 21Désertification et bouleversement climatique. ...................................................... 21Quels besoins énergétiques pour le futur ?. ..................................................................... 22Le retour de la fée électricité ?. .......................................................................................... 23De l’énergie électrique sans production de CO2 ?. .......................................................... 23Un monde alimenté par les seules énergies renouvelables ?. ....................................... 25Et le bois ?. ................................. 27De nouvelles recherches pour le futur ?. ........................................................................... 27Et le nucléaire ?. ........................ 28Le nouveau nucléaire ?. ............ 29Conclusion................................. 30Chapitre 2Nos déchets nucléaires vont-ils passer à la poubelle ou fournir notre énergie pour des milliers d’années ?Rappel sur les fissiles et fertiles. ........................................................................................ 34Rappel sur le principe des réacteurs rapides. ................................................................. 34Cycle du combustible des réacteurs à eau fonctionnant sans retraitement du combustible usé (cycle ouvert). .................................................................................... 36Fonctionnement des réacteurs à eau avec retraitement du combustible usé (cycle avec monorecyclage du plutonium). ...................................................................... 37Multirecyclage en REP. ............ 39Le chaînon manquant du nucléaire français (ou la simplification du cycle REP). ...... 40Rappel sur le cycle du combustible des réacteurs rapides. .......................................... 41Bilan des avantages apportés par les réacteurs rapides. ............................................. 43Coût d’approvisionnement et indépendance énergétique. ................................ 43Des réacteurs qui n’ont plus besoin d’exploitation minièreet d’enrichissement de combustible. ....................................................................... 44Une énergie presque illimitée. ................................................................................... 44Une énergie dont les rejets chimiques sont nuls lors du fonctionnement des réacteurs. ................. 45Un fonctionnement qui minimise la dosimétrie du personnel. ............................ 46Une énergie qui réduit la quantité finale de déchets radioactifs. ..................... 46Une énergie qui peut réduire drastiquement la durée de dangerositédes déchets nucléaires ultimes. ............................................................................... 46Une empreinte faible sur l’environnement. ...................................................................... 48Conclusion................................. 49Chapitre 3Les réacteurs rapides existent, je les ai rencontrésGeneration IV International Forum (GIF). ........................................................................... 52Les réacteurs à haute température (HTR). ...................................................................... 53Les réacteurs à eau supercritique (SCWR). ..................................................................... 55Les réacteurs rapides au gaz (GFR). ................................................................................. 56Les réacteurs au plomb (LFR). ............................................................................................. 58Les réacteurs rapides à sodium (SFR). .............................................................................. 61Les réacteurs à sel fondu (MSR). ....................................................................................... 62Conclusion................................. 64Chapitre 4Analyse des raisons de l’échec d’implantation des réacteurs rapides dans le monde en 2024Bilan en 2024 des réacteurs rapides dans le monde. ..................................................... 68Les difficultés techniques des réacteurs au plomb. ....................................................... 70Les difficultés techniques de la filière sodium. ................................................................ 70Le surcoût par rapport aux REP......................................................................................... 72La domination industrielle des REP. ................................................................................... 72Des problèmes spécifiques de sûreté ?. ........................................................................... 73La résistance à la prolifération. .......................................................................................... 75Investissements lourds. ........... 77Existence d’usines de retraitement. ........................................................................ 77Fabrication du combustible de réacteur rapide. ................................................... 78Le cas de Superphénix. .. 80L’acceptation sociale. .............. 80La perte de compétences. ...... 80La disponibilité et le coût de l’uranium. ............................................................................. 81Conclusion................................. 84Chapitre 5Un point sur les rapides sodium (SFR) en Europe, en 2024Introduction. .............................. 88Avantages et inconvénients du sodium. ........................................................................... 88Le retour d’expérience des SFR. ......................................................................................... 90Un peu d’histoire : d’EFR à ESFR SMART. ........................................................................... 91Retour au générateur de vapeur modulaire. .......................................................... 91Adoption d’une dalle épaisse. .................................................................................... 91Suppression de la cuve de sécurité. ........................................................................ 924 Les réacteurs rapidesFixation des gros composants. ................................................................................. 92Boucles secondaires. ..... 92Manutention.................... 92Méthodologie générale du projet ESFR SMART. .............................................................. 92Résultats du projet ESFR SMART. ....................................................................................... 93ASTRID et le coeur d’ESFR SMART. ............................................................................ 93Circuit primaire............... 94Évacuation de la puissance résiduelle. .................................................................... 99Circuits secondaires. ..... 101Disposition générale. ...... 104Manutention.................... 105Bilan final des simplifications. .................................................................................... 105Bilan final des systèmes passifs. .............................................................................. 106Mitigation des accidents graves. ............................................................................. 106Bilan sûreté. ..................... 107Pré-calculs et documentation. .................................................................................. 108ESFR SIMPLE : une introduction à un SFR SMR européen.............................................. 109Déploiement. .............................. 110Conclusion................................. 112Chapitre 6Les réacteurs rapides au plomb (LFR)Historique. .................................. 116Les réacteurs au plomb dans le monde en 2024. ............................................................ 118Les avantages et inconvénients du plomb comme caloporteur. .................................. 119Comparaison générale avec le sodium. ................................................................... 119Composition isotopique. ............................................................................................. 119La chimie. .......................... 120La densité. ........................ 120Plage de températures. .............................................................................................. 121Plomb et matériaux. ................. 121Le projet BREST. ........................ 122Le projet NEWCLEO. ................. 124Caractéristiques générales du projet. .................................................................... 124Les choix technologiques de base pour le LFR-AS-200. ....................................... 126Le LFR-AS-30. ................... 129Propositions de très petits réacteurs. .................................................................... 130Conclusion................................. 132Chapitre 7Point sur les réacteurs à sels fondus : RSFPrincipe de fonctionnement des réacteurs à sels fondus. ........................................... 136Les différents types de sels combustibles possibles. .................................................... 137Choix du fissile. ............... 137Choix du fertile. ............... 137Choix du sel. ..................... 138Choix final. ........................ 138Retour d’expérience sur les réacteurs à sels fondus : le MSRE. ................................... 139Avantages potentiels des MSR rapides............................................................................ 141Utilisation des déchets du cycle. .............................................................................. 141Minimisation des déchets finaux. ............................................................................. 141Sûreté. .............................. 141Indépendance énergétique de la France. ............................................................... 141Suivi de réseau, compatibilité avec les ENR. .......................................................... 142Coût, compétitivité économique. ............................................................................. 142Conclusion. ....................... 142Challenges techniques. ........... 143Chimie des sels. ............... 143Séparation isotopique... 143Fabrication du sel combustible. ................................................................................ 144Retraitement du sel combustible............................................................................. 144Choix des matériaux. ...... 145Neutronique et thermohydraulique. ......................................................................... 145Gestion des gaz de fission. ........................................................................................ 146Les composants. ............. 146L’instrumentation. ........... 147Conclusion. ....................... 1486 Les réacteurs rapidesChoix de design........................ 148Choix du sel intermédiaire. ........................................................................................ 148Mode de remplissage et de démarrage. ................................................................. 149Vidange. ............................ 149Barres de commande. .... 149Protection neutronique. ............................................................................................. 150Utilisation de couvertures radiales. ......................................................................... 150Convection naturelle ou forcée du sel combustible ?. .......................................... 150Conclusion. ....................... 150Approche de sûreté et licensing........................................................................................ 151Les projets mondiaux. .............. 152En Russie. ......................... 152En Chine. ........................... 152Aux États-Unis et au Canada. ................................................................................... 153Les start-up françaises. .......... 153NAAREA............................. 154Stellaria. ............................ 156Conclusion................................. 156ConclusionSouveraineté, durabilité, écologie et simplicitéAnnexe 1 : Enseignements tirés de l’exploitation des réacteurs rapidesrefroidis au sodium. ................ 163Réactions sodium/eau. ............ 163Opérations de manutention. .. 165Fonctionnement des composants primaires (pompes et échangeurs). ..................... 166Fuites et feux de sodium. ........ 166Entrée d’air ou d’impuretés ou de gaz. ............................................................................. 167Superphénix. .................... 167PFR. .................................... 168BN 600. .............................. 168CEFR. ................................. 168Ruptures de gaines. ................. 168Sommaire 7Matériaux. .................................. 169Opérations et contrôle neutronique. ................................................................................. 170Aérosols de sodium. ................. 171Conclusion................................. 171Annexe 2 : Démonstration industrielle du cycle fermé du combustibled’un réacteur rapide refroidi au sodium. ...................................................................... 173Expérience de retraitement du combustible Phénix. ..................................................... 173Données générales. ........ 173Bilan du retour d’expérience sur les techniques de retraitement. .............................. 174Démantèlement des assemblages. .......................................................................... 174Cisaillage des aiguilles. .. 174Dissolution du combustible. ....................................................................................... 174Clarification. ..................... 174Cycles d’extraction. ....... 175Déchets. ............................ 175Conclusion sur le retraitement. ................................................................................ 175Retour d’expérience sur la fabrication du combustible. ................................................ 176Applications pour les réacteurs du futur. ......................................................................... 176Annexe 3 : Comparaison des quatre types de combustible possiblespour les réacteurs rapides à métal liquide : sodium ou plomb. ............................... 177Introduction. .............................. 177Le combustible oxyde. ............. 179Le combustible métallique. ..... 182Le combustible carbure. .......... 186Le combustible nitrure. ............ 188Combustible/fabrication. ........ 190Combustible/retraitement. ..... 190Un choix du combustible suivant les applications et la stratégie ?. ............................ 193Conclusion................................. 194Annexe 4 : Point sur les matériaux pour un réacteur rapide au plomb. ................ 195Méthode de protection par contrôle de la teneur en oxygène(pour les alliages conventionnels). ..................................................................................... 196Matériaux enrichis au silicium. ..................................... 198Protection par revêtement d’alumine (coating). ............................................................. 198Utilisation d’un matériau enrichi à l’aluminium. ................................................................ 198Matériaux innovants (SiC). ..... 199Annexe 5 : Présentation du projet de prototype de réacteur au plomb de NEWCLEO, le LFR-AS-30. .. 201Conditions de fonctionnement. .......................................................................................... 202Conception de la cuve du réacteur et des internes. ...................................................... 202Le coeur. ..................................... 203Ensemble générateur de vapeur (GV) et pompe de circulation. .................................. 206Barres de contrôle et système d’arrêt du réacteur. ...................................................... 208Coefficients de contre-réaction. ........................................................................................ 209L’évacuation de la puissance résiduelle. ........................................................................... 209Analyse de sûreté. .................... 210Annexe 6 : Le retour d’expérience des réacteurs à sels fondus : le MSRE. .......... 211Historique des réacteurs à sels fondus. ........................................................................... 211Présentation générale du MSRE. .............................................................................. 212Choix du sel (FLiBe). ................. 213Les matériaux. ................. 213Neutronique et écoulements au primaire. ........................................................................ 213Pompe du sel combustible. ........................................................................................ 215Extraction de chaleur. .... 216Extraction des gaz de fission. ................................................................................... 217Cycle du combustible.............. 217Retraitement du sel. ....... 217Bilan final. ................................... 218Limites du retour d’expérience du MSRE. ......................................................................... 219Annexe 7 : Quel sel combustible pour un réacteur rapide à sels fondus ?. ........... 221Introduction. .............................. 221Éléments fissiles et fertiles. ... 221Éléments fissiles. ............. 221Disponibilité et qualité du plutonium....................................................................... 222Éléments fertiles. ............ 222L’option couverture fertile. ........................................................................................ 223Conclusion. ....................... 224Gammes de choix du sel. ......... 224Paramètres de choix. ..... 224Les deux grandes familles. ......................................................................................... 225Température de fonctionnement et solubilité U/Pu pour les fluorures. ........... 226En conclusion sur la solubilité dans les sels fluorures. ......................................... 228Températures de fonctionnement et de solubilité U/Pu pour les chlorures. ... 228Retraitement des chlorures et des fluorures. ........................................................ 230Adaptation aux installations nucléaires françaises existantes. ................................... 230Situation en 2024. ........... 230Conséquences en termes de stratégie possible à court terme. ....................... 231Utilisation des actinides mineurs............................................................................. 231Stratégie à long terme. .. 231Conclusion................................. 232Du même auteur. ..................... 234