Centrale nucléaire
Récteurs à sels fondus
 

Les nouvelles centrales nucléaires n'utiliseront plus de l'eau dans le circuit primaire, mais des sels fondus dans lesquels seront dissous les matériaux fissibles.
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A première vue cela semble dangereux d'utiliser des sels fondus, par exemple du sel de fluorure de lithium et du fluorure de beryllium comme fluide caloporteur dans une centrale. Ces sels composés de fluor et de lithium, deux composants particulièrement réactifs, ne risquent-ils pas de provoquer l'explosion du réacteur?

Eh ben non, tout comme le sel de cuisine est inoffensif (pourtant il est composé de sodium et de chlore, deux composés toxiques), les sels utilisés dans les réacteurs le sont également. On utilise spécifiquement ces composants pour leur stabilité et leur point de fusion suffisamment bas.

Les sels utilisés ne doivent pas se décomposer sous la chaleur et le rayonnement (ce qui élimine le chlore au profit du fluor), ils doivent être stables à toutes les températures de fonctionnement.

A droite un schéma de réacteur à sels fondus qui permet le retraitement sur place pour éliminer les déchets sans avoir à transporter tout le combustible jusqu'à une usine de retraitement.

Le réacteur est auto-stabilisant: quand la température augmente, les sels se dilatent, ce qui réduit les réactions en chaine.

Un des systèmes de protections est un bouchon de sel figé. En cas de panne de l'installation électrique, le bouchon fond et le carburant coule dans des réservoirs contenant du bore, qui absorbent fortement les neutrons et ce qui stoppe la réaction en chaine.

A gauche une découpe du premier réacteur à sels fondus, il s'agit d'un réacteur expérimental (MSRE: Molten Salt Reactor Experimental). Ce réacteur n'était pas destiné à produire de l'électricité, la chaleur était simplement envoyée dans l'air. Ce réacteur a fonctionné sans encombre pendant 4 ans. Les ingénieurs ont simplement signalé que leur boulot était ennuyant car rien ne se passait.

En 1 il y a le réacteur dans son enceinte de confinement 5. 2 est l'échangeur de chaleur. Le batiment du réacteur est le 12.

3 est la pompe du circuit primaire et 6 celle du circuit secondaire (qui utilise également des sels fondus, mais sans composants radio-actifs).

7 est l'échangeur de chaleur avec l'air ambiant, 9 sont les ventilateurs et 8 est un réservoir pour les sels fondus su circuit secondaire.

Nous avons encore le bouchon de sel en 12 et les réservoirs pour récolter le sel fondu en cas de surchauffe 10 et 11.

Il est possible d'effectuer des mesures au niveau de la pompe primaire, d'ajouter du carburant et de laisser s'échapper les gaz xenon et krypton issus des fissions. Ces gaz empoisonnent le réacteur (ils bouffent les neutrons), c'est pour cela que les réacteurs nucléaires classiques doivent fonctionner à puissance constante. Dans un réacteur normal, quand la quantité de xénon diminue, le réacteur à tendance à s'emballer. Ici, le xénon peut librement quitter le circuit primaire.

La température était si élevée que les échangeurs de chaleur devenaient rouge foncés (650°). A cette époque, on trouvait cela un inconvénient, actuellement c'est un avantage car il permet un meilleur rendement.

Quand le réacteur a finalement été mis à l'arrêt, il a encore produit des informations interessantes sur la stabilité du carburant nucléaire restant (forte libération de gaz de fluor lors de la solidification des sels) et la résistance de la cuve.

L'eau utilisée comme fluide caloporteur dans les réacteurs classiques à des inconvénients:
  • L'eau s'évapore à 100°, et il faut utiliser des réacteurs très solides et des pressions très élevées pour garder l'eau sous forme liquide, même aux températures présentes dans le cœur du réacteur.

  • L'eau joue également le rôle de modérateur, elle réduit la vitesse des neutrons libérés pendant les fissions et stabilise le fonctionnement du réacteur. Une modification de la densité de l'eau modifie le fonctionnement du réacteur.

  • En cas de surchauffe, l'eau se décompose en hydrogène et oxygène et peut provoquer des exmplsions. Cela s'est produit dans toutes les catastrophes nucléaires majeures. Les barres de graphite (qui sont également utilisées comme modérateur) chauffées au rouge sont combustibles et absorbent l'oxygène de l'eau, libérant de très grandes quantités d'hydrogène explosif.

L'utilisation de sels fondus au lieu de l'eau a encore d'autres avantages:

  • Le réacteur peut fonctionner aux alentours de la pression atmosphérique, même à des températures élevées. Le circuit tertiaire qui utilise l'eau doit lui évidemment résister aux fortes pressions, mais ce circuit n'est pas situé dans le cœur du réacteur et n'est pas soumis au bombardement, qui rend la cuve friable à la longue.

  • Le réacteur peut travailler à des températures élevées: le rendement de la centrale électrique s'en trouve amélioré. On peut également utiliser la chaleur pour produire de l'hydrogène (peut être un carburant du futur à la place des hydrocarbures). Il s'agit d'une réaction qui ne peut pas se produire dans une centrale nucléaire classique, mais qui ici est activement recherchée.

  • Le combustible nucléaire est présent dans le sel fondu, ce qui simplifie le fonctionnement du réacteur. Comme le sel circule en circuit fermé, on peut éliminer les déchets en traitant directement les sels. Une centrale classique doit régulièrement être mise à l'arrêt pour remplacer une partie des tiges de combustible. L'empoisonnement de ces tiges par des déchets rend le fonctionnement du réacteur instable.

  • Les réactions nucléaires dans un tel réacteur produisent principalement des déchets nucléaires à faible durée de vie, ce qui réduit un peu le problème de l'entreposage des déchets radio-actifs.

  • Les récteurs à sels fondus peuvent fonctionner en surgénérateurs. Le thorium 232 est un composant dit "fertile": il n'est pas radioactif, mais se transforme en uranium sous l'effet du bombardement neutronique. Les isotopes radioactifs qui sont ainsi créés peuvent être extraits pour être utilisés dans une nouvelle centrale.

  • Le traitement des sels sur place permet d'extraire les composants indésirables, sans avoir à transporter le carburant jusqu'au site de retraitement (les barres "usées" contiennent encore 96% de carburant nucléaire). Les composants indésirables peuvent être gardés sur place car ils sont moins encombrants que les barres de carburant des centrales classiques.

  • Le réacteur est intrinsèquement stable, basé sur les lois de la physique, et non sur le fonctionnement des pompes et des vannes (qui peuvent se bloquer).

  • Pour avoir un rendement optimal, un réacteur nucléaire classique doit avoir une puissance de 1GW, ce qui est beaucoup dans certaines zones peu habitées. Les générateurs à sels fondus peuvent être réalisés pour des puissances moindres, par exemple 400MW thermique, ce qui correspond à 190MW électriques (les petits réacteurs peut aussi être utilisés pour le chauffage urbain).

  • La puissance du réacteur peut être modifiée sans que cela ne rende le fonctionnement du réacteur instable.

Neutrons thermiques et neutrons rapides

La plupart des réacteurs utilisent des neutrons "thermiques" (ralentis par le modérateur). Ces neutrons sont plus efficaces pour entretenir les réactions en chaine mais nécessitent des barres de graphite. Les réacteurs à neutrons rapides peuvent avoir uns structure homogène, le réacteur se composant simplement d'un réservoir de capacité déterminée contenant les sels fondus. Les réacteurs à neutrons rapides peuvent plus aisément être utilisés en surgénération, en plaçant une couverture de matériaux fertiles autour de la cuve du réacteur. Sous le bombardement des neutrons rapides, les matériaux fertiles sont transformés en matérieux fissibles.

Mais venons-en à la description d'un réacteur nucléaire à sels fondus. Le dessin semble compliqué par rapport à une centrale nucléaire classique, mais c'est parce que le dessin est plus complet et reprend plus d'éléments.

Nous avons le circuit primaire en rouge, où circule des sels fondus. La température peut être très élevée et peut varier dans de grandes limites, car elle n'a pas d'influence sur les réactions en chaine. La pression est proche de la pression atmosphérique normale. Une pompe entraine les sels vers un échangeur de chaleur. Une partie du flux est envoyé à une usine de retraitement, où on élimine les produits issus de la fission et qui pourraient rendre le réacteur moins stable.

Il y a des barres de controle comme dans un réacteur classique. Le système de protection est simple et ingénieux et se compose d'un bouchon de sel figé par le refroidissement forcé. En cas de défaillance, le refroidissement du bouchon n'est plus assuré, le sel du bouchon se liquéfie et tout le sel du réacteur coule dans de petits réservoirs. Les réactions en chaines sont immédiatement stoppées.

La radioactivité naturelle des sels radioactifs dans les réservoirs de secours garantit que le sel reste en fusion (plus de 93°). Il faut en effet éviter que le sel ne se fige, ce qui pourrait provoquer la libération des gaz en solution dans le liquide, et en particulier le fluor, très réactif. C'est un effet physique tout à fait normal, il explique la présence de bulles d'air quand on fait des glaçons, il explique la formation de crevasses dans l'acier dans la coulée en lingots dans les aciéries.

Il y a un second circuit avec deux échangeurs de chaleur, c'est le circuit en cyan. On utilise également de sels fondus, mais ils ne contiennent pas de carburant nucléaire. Le premier échangeur se trouve dans l'enceinte de confinement, le reste de l'installation peut être placée dans des batiments ordinaires.

Le troisième circuit utilise de l'eau ordinaire qui est portée à ébulition. Le rendement énergétique peut être plus élevé, car la température à l'échangeur est plus élevée. Le circuit de production d'électricité est généralement plus complexe, pour utiliser au mieux la chaleur disponible. Ce type de centrale ne devrait normalement pas avoir de tour de refroidissement. Notez que les centrales les plus modernes utilisent également un circuit plus complexe.

Ce type de centrale a malgré tout des inconvénients: la filière est toute nouvelle et ne bénéficie pas de l'expérience de la filière classique. De nombreux points doivent être éclaircis, comme le stabilité des installations soumises au bombardement neutronique et aux sels liquides. Il faut utiliser des alliages spéciaux.

Réacteurs intégraux

Les petits réacteurs (dit "intégraux") se composent d'un conteneur qui reprend tout le réacteur (poids total de 170 tonnes). Le réacteur est conçu pour fonctionner continuellement pendant 7 ans, après cette durée de vie on remplace tout le conteneur. C'est un système qui ne peut être utilisé qu'avec les réacteurs à sels fondus, qui sont extrèmement fiables. Il n'y a pas de traitement des sels pour éliminer les déchets radio-actifs, mais il est possible d'ajouter du carburant.

Les réacteurs intégraux sont auto-stabilisants, la puissance produite dépend de la température des sels radioactifs. Plus la température augmente, plus les sels se dilatent, réduisant la réaction en chaine.

Si les pompes de ciculation somt mises à l'arrêt ou tombent en panne, des tiges tombent automatiquement dans le réacteur. Ces tiges absorbent les neutrons, ce qui stoppe net la réaction en chaine.

En cas de surchauffe, des conteneurs spéciaux fondent, libérant un sel contenant une grande quantité de bore, un poison neutronique, ce qui met également fin aux réactions en chaine. Il n'est alors plus possible de relancer le réacteur. Les réacteurs intégraux n'ont pas de bouchon de sel et de réservoirs de secours, ce qui compliquerait l'installation. Le sel radioactif reste en permanence dans le réacteur.

Même à l'arrêt, il y a toujours la radio-activité naturelle qui maintient le radiateur à sa température normale. La chaleur est évacuée par radiation et convection.

Les réacteurs intégraux utilisent de l'uranium, tandis que les réacteurs de plus grande taille utilisent du thorium qui permet la surgénération (la création de nouveau combustible par le bombardement de composés fertiles).

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