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Panorama projets GenIV (II)



Un état des lieux des 6 concepts (2017) : suite et fin

Source : Panorama mondial des systèmes de Génération IV, par Francois Gauché et Joël Guidez, Revue Générale Nucléaire - mars avril 2017 • N°2

les trois derniers concepts génération IV
Les trois derniers concepts sont les réacteurs à gaz à très haute température (Very High Temperature Reactors ou VHTR), les réacteurs à eau supercritique (Supercritical Water Reactors ou SCWR) et les réacteurs à sels fondus (Molten Salt Reactors ou MSR). Les deux premiers ne sont pas à neutrons rapides et surgénérateurs. Le troisième est très différent par sa conception de tous les autres types de réacteurs. Il pourrait fonctionner avec du thorium comme combustible.
CEA

Trois autres concepts ...



Les réacteurs à gaz à très haute température (VHTR), les réacteurs à eau supercritique (SCWR) et les réacteurs à sels fondus (MSR) se distinguent par de multiples aspect des trois précédents concepts surgénérateurs à neutrons rapides. En particulier, les réacteurs à sels fondus (Molten Salt reactors) sont très différents des autres réacteurs : leur combustible serait sous forme liquide.

Réacteurs VHTR à très haute température.

Les réacteurs à très haute température (VHTR) constituent un concept original développé dans les années 1960 à 1980, avec la construction et l'opération de plusieurs réacteurs précurseurs à haute température (HTR) dont deux réacteurs de puissance à 300 et 330 MWe. Le concept des hautes températures est donc le seul avec le concept des réacteurs rapides au sodium à disposer soit de réacteurs expérimentaux disponibles, soit de réacteurs en construction.

Une originalité des HTR est un combustible exceptionnellement robuste constitué de particules de 1 millimètre de diamètre composées d'un noyau de matière fissile enrobé de plusieurs couches de carbure. Ce combustible retient les produits de fission jusqu'à au moins 1600°C. Il s'agirait de construire des réacteurs de puissance limitée (des modules) au lieu de produire de l'énergie avec de très gros réacteurs. De cette façon, lorsque l'on perd le refroidissement normal du réacteur, la chaleur produite peut être évacuée par conduction et rayonnement thermique : un avantage important en termes de sûreté passive, avec un cœur qui ne peut pas fondre.

Ces réacteurs ne sont pas surgénérateurs et ne présentent pas d’avantages au niveau de la consommation d’uranium. Le cycle du combustible serait ouvert, car le combustible usé serait difficilement retraitable.

Les difficultés de mise au point de matériaux résistants aux très hautes températures, ont pour le moment limité le développement, ainsi que des raisons essentiellement économiques car leur faible densité de puissance conduit à des réacteurs volumineux à puissance limitée.

Les réacteurs à haute température en 2017 :
- HTR-10 (Chine) : ce petit réacteur expérimental, situé à Pékin dans les locaux de l’INET,est actuellement opérationnel.
- HTR-PM (Chine) : deux réacteurs de 100 MWe sont actuellement en fin de construction. Leur divergence est annoncée en 2018. Ces réacteurs sont reliés à une turbine de 200 MWe et sont présentés comme des réacteurs modulaires.
- HTTR (Japon) : ce petit réacteur expérimental situé à Oarai, attend le feu vert pour son redémarrage (la priorité de l’autorité de sûreté étant donnée aux réacteurs électrogènes).

Les réacteurs à eau supercritique (SCWR)

Ces réacteurs exploiteraient des caractéristiques très intéressantes de l’eau à l’état supercritique, un état fluide obtenu à une forte pression ou température. Dans cet état, les propriétés de l’eau deviennent intermédiaires entre celles d’un liquide et d'un gaz. Le fluide acquiert des propriétés nouvelles dans un domaine de température et de pression où la capacité calorifique est considérablement augmentée. Cette augmentation conduirait en principe à de spectaculaires diminutions de dimensions et de coût pour ces réacteurs à eau.

Cependant, de nombreux problèmes surgissent, soit technologiques (fortes pressions, corrosion des matériaux, etc.), soit de sûreté lorsque les conditions de fonctionnement (température et pression) sortent du domaine favorable.

Le Canada a le leadership dans ce domaine avec une réflexion pour une application éventuelle aux réacteurs de type Candu. Le NPIC (Nuclear Power Institute of China) a annoncé en 2017, travailler sur le réacteur supercritique SCR-1000.

Les réacteurs à sels fondus (MSR)

Les réacteurs à sels fondus présentent un concept très innovant où le combustible est dissous dans le fluide caloporteur. Ce fluide est un sel fondu, nitrure ou fluorure. Le rechargement du cœur par simple réintroduction en ligne de combustible sous forme liquide. Une originalité très intéressante du concept est que le retraitement du combustible usé se ferait en ligne sur un débit partiel dérivé.

Ce concept a des potentialités séduisantes mais pose aussi de nombreux problèmes techniques, au niveau des matériaux, de la maintenance, d’une chimie complexe et évolutive. Il présente l’intérêt de pouvoir utiliser le thorium comme combustible et ainsi de pouvoir brûler du plutonium et des actinides.



Un petit réacteur à sels fondus précurseur de 8 MW a fonctionné de 1965 à 1969 au laboratoie d'Oak Ridge (Vidéo du Oak Ridge National Laboratory)


Projets de réacteurs à sels fondus ou au thorium à l’étude :
- France : le CNRS travaille sur un concept MSR surgénérateur.
- Pays Bas : l’Université de Delft participe au projet Samofar
- Allemagne : le centre de l’ITU étudie les combustibles au thorium.
- Russie : le projet Mosart au Kurchatov Institute.
- États-Unis : le projet de réacteur modéré au graphite Liquid Fluorid Thorium Reactor (2 MWe) de Flibe Energy ; Transatomic Power Reactor (TAP), le réacteur du MIT, utilisant des modérateurs innovants ; le Mk1PB-FHR de l’Université de Berkeley et le Sm AHTR, un FHR d’Oak Ridge National Laboratory.
- États-Unis et Japon: Martingale InC-ThorCon, réacteur thermique modéré au graphite avec thorium de 250 MWe.
- Royaume-Uni : Moltex avec le SSR (Stable Salt Reactor) où le sel est utilisé comme caloporteur et le combustible est statique dans des assemblages. C’est aussi un réacteur sans graphite qui se présente comme réacteur rapide.
- Danemark : Seaborg Technologies et son projet 100 MWe modéré au graphite,utilisant des déchets nucléaires et du thorium.
- Canada : Terrestrial Energy avec son projet IMSR (Integral Molten Salt Reactor) de400 MWth, modéré au graphite et utilisant du thorium ; Northern Nuclear développe un MDFR
- Chine : Le TMSR (Thorium Molten Salt Reactor) programmé au Shangai Institute avec deux voies à l’étude, une avec le cœur fondu dans le sel et une avec le sel comme caloporteur. Des prototypes de 2 MWth sont annoncés, mais a priori pas encore engagés.

Cependant aucune construction d’un réacteur même prototype n’est actuellement lancée. Elle demanderait par ailleurs un processus de certification qui ne serait pas simple, vu l’originalité du concept, et que personne n’a encore engagé.

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