Rapport Technique titre

5.8L’étape ultime et idéale des réacteurs à sels fondus

Le cheminement que nous avons suivi montre que la combustion de la totalité des actinides est l’objectif ultime.

Bien entendu cette voie implique la maîtrise des problèmes de corrosion mais l’émergence de nouveaux matériaux et les différentes techniques d’ores et déjà envisageables permettent trouver des solutions . Nous ne développons pas ces questions ici, tout au plus nous tenons à souligner qu’il n’est pas raisonnable d’écarter cette voie en prétendant que la corrosion est rédhibitoire

L’objectif ultime de la combustion de la totalité des actinides est difficile à atteindre avec un combustible solide.

Dans leur principe les réacteurs à sels fondus permettent de n’extraire que les produits de fission et de recycler indéfiniment le combustible, ce qui règle ipso facto le problème des actinides et autorise théoriquement l’atteinte d’un taux de combustion de 100 %. (avec cependant une limitation due au pouvoir séparateur du procédé).

L’historique des réacteurs à sels fondus (RSF) vaut d’être rappelé :

L’idée d’utiliser les sels fondus (en particulier les fluorures) comme combustible liquide date de 1947. On pensait, aux USA, réaliser des moteurs d’avion avec des RSF, ce système assurant a priori une certaine « légèreté » du réacteur et une grande souplesse de conduite, inimaginable avec d’autres systèmes. (C’est en fait l’Aircraft Nuclear Project dit ANP).

Un prototype à terre a été réalisé en 1954, de puissance 2,5 MWth. Il utilisait un mélange de fluorures Na F, ZrF₄, U F₄ (U enrichi) dans des circuits en Inconel à travers un modérateur à base de Be. Il a fonctionné 1 an, le sel sortant à 850°C avec une stabilité remarquable. Il s’est arrêté avec l’abandon de l’A.N.P.

Les avantages de ce réacteur n’échappent pas aux chercheurs d’Oak Ridge et, en 1960, après la découverte du binaire fondant BeF₂, ⁷LiF et considérant la possibilité de mettre en oeuvre du graphite à pores fins comme modérateur (en contact direct avec le sel) et de l’alliage hastelloy N résistant jusqu’au moins 850°C, ils décident la réalisation d’un prototype de réacteur de puissance : le MSRE (8 MWth).

MRSE fonctionne dès 1964 pendant 5 ans à 85 % de son temps (fait exceptionnel à l’époque) sans incident, avec trois sortes de combustibles fissiles : U enrichi à 35 %, ²³³U et Pu successivement. L’arrêt du MSRE en 1969 serait dû au report des efforts budgétaires sur les études et la conception d’un réacteur MSBR de 1000 MWe.

En 1969, l’examen des diverses filières de réacteur en cours de développement par l’Edison Institute plaçait le RSF du point de vue performance technico-économique en premier juste devant le PWR. Toutefois, la préférence a été donnée aux PWR dont le degré d’industrialisation était bien supérieur.

Après une nouvelle tentative de la Société Ebasco pour la réalisation d’un MSBR de 500 à 1000 MWe (financement assuré à parts égales par le gouvernement américain, les producteurs d’électricité et le gouvernement japonais) le concept d’un réacteur de type MSBR a été définitivement abandonné.

Néanmoins, les travaux d’Oak Ridge ont conduit à l’accumulation d’une grande quantité de connaissances utilisables et ont prouvé la maîtrise des systèmes RSF.

Depuis, d’autres études sur les RSF ont été conduites mais sans support expérimental suffisant (pas d’expérience critique). On peut citer :

• 
  des études de RSF à neutrons rapides en milieu chlorure en G.B. et en Suisse (professeur Taube),
  
• 
  l’évaluation, en France, de 1968 à 1982 (CEA - EdF - Péchiney), à partir des résultats d’Oak Ridge, d’un concept de RSF intégré (concept « épithermique » sans modérateur) fonctionnant à haute température et avec une récupération d’énergie électrique par turbine à gaz,
  
• 
  le projet AMSB (JAERI, Japon), RSF-hybride avec un seul fluide : les fluorures fondus, puis la proposition d’un incinérateur intégré avec des chlorures fondus,
  
• 
  les travaux du professeur Furukawa (Japon) sur la conception d’un réacteur type AMSB pour la production d’²³³U et son utilisation à la réalisation de petits réacteurs RSF alimentés en Th (100 MWe avec une légère surgénération).
  

Au CEA, dans le cadre des études sur la gestion de l’aval du cycle, un consensus s’est établi autour d’un concept de réacteur ayant un spectre rapide afin d’incinérer à la fois les actinides mineurs et les produits de fission à vie longue dans un scénario multicomposants.

On peut résumer ainsi les avantages des réacteurs à sels fondus qui sont particulièrement adaptés à l’incinération de tous les actinides sans exception.

Performances :

 possibilité d’atteindre des taux de combustion limités seulement (et fort peu) par le pouvoir séparateur du procédé).

• 
  quantité de combustible à retraiter extrêmement réduite (quelques litres de sel par jour),
  
• 
  possibilité de limiter les « pertes » en actinides dans les déchets ultimes à des valeurs très basses (0,1 % à 1 % de l’inventaire).
  

Souplesse :

• 
  possibilité d’alimenter en continu le réacteur en sel combustible purifié et de sortir du sel irradié en continu. On pourrait ainsi, en ajustant les concentrations de TRU, éviter l’utilisation de poison ou d’un milieu fertile pour maîtriser la réactivité,
  
• 
  possibilité d’introduire directement dans le sel certains P.F. à vie longue (Zr, I, Tc, Cs ...) sans perturber la physico-chimie du sel,
  
• 
  possibilité d’ajouter au sel du thorium fertile à effet « fondant » sur le sel, et fabriquer ²³³U au détriment des TRU, cet uranium pouvant être extrait « rapidement » sans ²³²U.
  

Plusieurs concepts de RSF sont aujourd’hui envisagés pour la transmutation :

• 
  concept TIER de C. Bowman,
  
• 
  concept TASSE au CEA,
  
• 
  concept AMSTER de EDF,
  
• 
  etc.
  

5.8.1Les réacteurs à sels fondus et l’introduction du Thorium

Une possibilité supplémentaire est offerte par le recours au cycle au thorium (toujours dans les voies de l’avenir).

Le cycle au thorium lui-même ne produit quasiment pas d’AM et de Cm mais des quantités certes inférieures mais significatives de Pa, Np et Pu.

La production d’U233 rend possible la surgénération à l’énergie thermique ( - 1 = 1,29 en spectre thermique).

Compte tenu du fait que le cycle à l’uranium est dominant, le spectre rapide à sels fondus garde tout son intérêt mais l’introduction graduelle du thorium a beaucoup d’avantages

vis-à-vis de la combustion des déchets et de la sûreté.

Nous n’abordons pas ici les problèmes liés à l’activité du cycle au thorium qui nécessite un blindage des chaînes de fabrication, et qui a pu faire reculer à l’époque les Américains qui avaient développé le procédé Thorex.

Aujourd’hui, le blindage des chaînes de fabrication semble incontournable dans tous les cas et se ramène à un problème économique.