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Réacteurs à hautes températures



Vers d'autres applications que l'électricité

Les réacteurs à haute température (HTR) ou très haute température (VHTR) offrent un concept original développé dans les années 1960 à 1980. Durant cette période, plusieurs réacteurs HTR ont été construit et ont fonctionné dont deux réacteurs de puissance à 300 et 330 MWe.

Les réacteurs à eau pressurisée (REP) et les réacteurs EPR appelés à leur succéder ne permettent pas au nucléaire de s'introduire sur le créneau des petites et moyennes puissances couvert par les turbines à gaz ; ils répondent malaisément aux besoins d'énergie non électrique (chauffage urbain, dessalement, chaleur industrielle) ou combinée (électricité + chaleur) ; enfin ils ne sont pas adaptés à des pays dont les besoins en énergie sont limités et évolutifs, et dont le réseau électrique ne peut supporter des puissances unitaires élevées.

Schéma d'un réacteur HTR
Vue générale en coupe d’un réacteur à haute température. L’hélium gazeux sous pression joue le rôle de fluide caloporteur dans l’enceinte de droite, où se trouve le cœur du réacteur (en rouge) avec le combustible et le modérateur en graphite. Il actionne directement une turbine à gaz (partie de gauche) qui convertit la chaleur en électricité. À la sortie de la turbine, l’hélium est recomprimé avant d’être renvoyé dans l’enceinte du réacteur. L’ensemble est enterré.
Framatome ou General atomics

Il s'agissait, à travers cette nouvelle technologie de réacteurs, d'atteindre la compétitivité économique pour des niveaux de puissance beaucoup moins élevés que les REP modernes tout en assurant un niveau de sûreté au moins équivalent. C'est ce que devraient offrir les réacteurs à haute température (HTR) modulaires et à cycle direct, avec des puissances de l'ordre de quelques centaines de MWe (Mégawatt électrique) (les REP modernes atteignent des puissances de l'ordre de 1 000 à 1 500 MWe).

Le concept modulaire permet en cas d'accident d'évacuer la chaleur uniquement par rayonnement thermique. Cela assure alors le maintien de la température au-dessous d'un seuil critique (1600°C), sans qu'il soit nécessaire d'adjoindre au réacteur des systèmes de refroidissement de secours, particulièrement coûteux à cause de la fiabilité et de la redondance exigées d'eux.

Un atout majeur des HTR et des futurs VHTR est leur combustible exceptionnellement robuste, constitué de particules de 1 millimètre de diamètre composées d'un noyau fissile et de plusieurs couches d'enrobage qui retiennent les produits de fission jusqu'à au moins 1600°C. Par ailleurs, la conception des HTR, avec un modérateur (graphite) indépendant du réfrigérant (hélium), leur permet de brûler de façon très souple toute espèce de noyaux fissiles. Ce type de réacteur est en particulier un excellent brûleur de plutonium, détruisant environ 70% de la quantité introduite dans le cœur, et plus de 90% de ses isotopes fissiles. De ce point de vue, il serait particulièrement efficace pour les actions de désarmement, pour incinérer le plutonium militaire.

Etat des projets de réacteurs à haute température
- HTR-10 (Chine) : ce petit réacteur expérimental, situé à Pékin dans les locaux de l’INET, était opérationnel.
- HTR-PM (Chine) : deux réacteurs de 100 MWe étaient en fin de construction, leur divergence étant 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, attendait le feu vert pour son redémarrage (la priorité de l’autorité de sûreté étant donnée aux réacteurs électrogènes).

En décembre 2020, l'entreprise américaine Kairos Power a annoncé la construction à Oak Ridge du KP-FHR, un petit réacteur à haute température de 140 MWe dont le caloporteur est un sel fondu (fluoride). Ce petit réacteur hybride reprend les atouts de trois concepts de réacteurs différents :- Le caloporteur des réacteurs à sels fondus, stable chimiquement et ne nécessitant pas de fonctionner à haute pression.- Des boulets de combustible de quelques centimètres de diamètre qui peuvent être portés jusqu’à 1600°C sans dégradation.- Les concepts de sûreté passive des réacteurs au sodium.

Projets de HTR à plus long terme :
Il existe plusieurs projets dans le monde pour ce type de réacteurs : le projet GT-MHR pour brûler le plutonium militaire russe, entre General Atomics (USA), Minatom(Russie), Framatome (France) et Fuji Electrics (Japon) ; le projet PBMR développé en Afrique du Sud avec des concours allemands, anglais et américains ; deux réacteurs expérimentaux au Japon et en Chine. Un réseau de recherche européen, HTR-Technology Network (HTR-TN), mis a été mis en œuvre dans le cadre des programmes de recherche et développement de la Commission européenne, a pour objectif de développer les technologies nécessaire.

Les réacteurs à très haute température ou VHTR (Very High Temperature Reacor) sont l'une des six optionsconsidérées pour les réacteurs de Génération IV. Contairement aux autres options, les VHTR ne nécessitent pas des neutrons rapides. Le cycle du combustible est ouvert, c'est à dire que le combustible usé n'aurait pas besoin d'être retraité, les billes de carbure apportant un excellent confinement des matières radioactives. Le refroidissement serait asuré par de l'hélium sous pression (un gaz rare inerte chimiquement et transparent aux neutrons.

Pour en savoir plus sur cette filière de réacteurs :
- 1) : Principes des HTR
- 2) : Atouts des HTR
- 3) : Avancées technologiques HTR