Réacteur nucléaire à sels fondus

Le réacteur nucléaire à sels fondus (RSF) (en anglais, molten salt reactor : MSR) est un concept de réacteur nucléaire dans lequel le combustible nucléaire se présente sous forme liquide, dissous dans du sel fondu (600 à 900 °C) qui joue à la fois le rôle de modérateur, de caloporteur et de barrière de confinement. Le réacteur peut être modéré par du graphite (neutrons thermiques) ou sans modérateur (neutrons rapides).

Le concept était étudié en laboratoire pendant les années 1960, puis délaissé dans les années 1970 faute de financement et malgré des résultats probants. À partir des années 2000, il est à nouveau évalué dans le cadre du Forum International Génération IV [1] et retenu au sein du Forum international Génération IV[2]. En 2011, il fait l'objet de recherches en vue d'un déploiement comme réacteur de quatrième génération avec cependant une date prévisionnelle d'industrialisation plus éloignée que certains des autres concepts étudiés. De nombreuses conceptions de centrale nucléaire sont fondées sur ce type de réacteur, mais il y a eu peu de prototypes construits et aucun n'est en service depuis l'arrêt du réacteur expérimental à sels fondus en 1969. La Chine finance avec l'aide des États-Unis un ambitieux programme de recherche pour développer cette technique à l'échelle industrielle[3],[4]. De son côté, l'Union européenne a lancé le projet SAMOFAR (Safety Assessment of the Molten Salt Fast Reactor)[5], piloté par l'université de technologie de Delft et regroupant plusieurs laboratoires ou entreprises européennes de renom comme le CNRS, l'IRSN, le CEA, AREVA, EDF, le PSI et l'université de Karlsruhe.

Principe de fonctionnement

Les réacteurs à sels fondus reposent sur l'utilisation d'un sel fondu, par exemple de fluorure de lithium (LiF) et de fluorure de béryllium (BeF2), servant à la fois de fluide caloporteur, de modérateur et de première barrière de confinement. Le réacteur prend la forme d'une cuve métallique contenant le sel à haute température (600 à 900 °C) mais à pression ambiante. La réaction nucléaire est déclenchée par la concentration en matière fissile dans le réacteur ou par le passage dans un bloc modérateur en graphite.

Le combustible fissile peut être de l'uranium 235, du plutonium ou de l'uranium 233, issus de la conversion du thorium. Un réacteur à sel fondu peut assurer lui-même sa surgénération à l'aide d'une couverture fertile (fertile blanket) contenant l'isotope fertile à irradier. Sur le plan chimique, des sels composés de chlorures pourraient être également utilisés, mais le chlore a le gros désavantage de produire par activation neutronique du chlore 36 d'une période de 301 000 ans, qui en fait un déchet à longue vie, alors que le fluor ne présente pas cet inconvénient.

Il existe deux grandes familles de réacteurs à sels fondus :

Les réacteurs à neutrons thermiques

Cette conception nécessite un cœur modéré par du graphite percé d'un ou plusieurs canaux. Le sel (à base de fluor et de lithium) est pompé à travers ce dispositif. Le liquide devient critique quand il passe dans le cœur en graphite qui sert de modérateur. La température du sel augmente alors d'une centaine de degrés, le débit de passage dans le modérateur permet de contrôler la puissance du réacteur. C'est ce réacteur qui a été testé avec succès à Oak Ridge ;

Schéma de principe d'un réacteur à sels fondus à modérateur.

Les réacteurs à « neutrons rapides »

Dans la conception d'un réacteur à neutrons rapides, il n'existe pas de modérateur, ce qui nécessite une charge initiale plus importante de combustible fissile. Dans ce cas également, ce sont des sels fluorures qui sont privilégiés. La puissance du réacteur est maîtrisée par la dilatation du sel : dès la conception du réacteur, le régime maximal est défini par la concentration en matière fissile et le volume du réacteur. Sous l'effet de la température la dilatation du sel réduit la probabilité de fission et ralentit le réacteur jusqu'au point d'équilibre.

Ce modèle est proposé par le CNRS de Grenoble[6]. Le spectre à neutrons rapides permet notamment d'utiliser certains déchets nucléaires comme amorce (les transuraniens, c'est-à-dire du plutonium, curium, neptunium et américium), réduisant la charge de combustible fissile nécessaire pour le démarrage et réduisant la dangerosité des déchets nucléaires.

Schéma de principe d'un réacteur à sel fondu à neutrons rapides.

Le concept associe au réacteur une usine de traitement du combustible usé en ligne, chargée de séparer les produits de fission (ainsi qu'éventuellement les actinides mineurs) au fur et à mesure de leur production en réacteur. Le débit de retraitement est plus ou moins rapide selon la configuration du réacteur, les réacteurs à neutrons rapides permettent de réduire les risques de captures stériles et donc de réduire le besoin de retraitement, de l'ordre de 40 L par jour pour le combustible et 40 L par jour par la couverture fertile dans le cas d'un réacteur à neutrons rapides.

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