Le concept de Molten Salt Fast Reactor (MSFR) : réacteur à sels fondus en spectre neutronique rapide et en cycle thorium - (Page de bibliographie ici)

Le concept de MSFR

La caractéristique fondamentale des réacteurs à sels fondus (RSF) qui réside dans l’utilisation d’un combustible, non plus sous forme solide comme dans tous les autres concepts de réacteurs nucléaires, mais liquide, est restée très séduisante. Les possibilités de manipulation et de régénération de combustibles liquides sont bien plus souples. Ils ne demandent pas de mise en forme particulière et peuvent être ponctionnés et injectés sans arrêt du réacteur. De plus, le combustible liquide regroupe à lui seul la double fonction de combustible et de caloporteur. Les risques liés à l’effet de vidange autour desquels s’organise l’ensemble de la sécurité et du pilotage des réacteurs à combustible solide disparaissent dans le cas d’un concept à sel fondu.

Dans la décennie écoulée, nous avons analysé scientifiquement les moyens de satisfaire aux critères des générateurs nucléaires de quatrième génération (sûrs, durables, non proliférants) tout en recherchant la plus grande simplicité. De cette analyse résulte un concept innovant de réacteur nucléaire à sel fondu, en cycle Thorium et à spectre neutronique rapide, différent du concept historique de l’ORNL et connu internationalement sous la dénomination de MSFR (Molten Salt Fast Reactor). Ce que nous proposons aujourd’hui est un concept simplifié et robuste, dont le combustible est un sel fluoré liquide ne nécessitant que peu de matière fissile initiale et les tolérant toutes (235U, Pu, actinides mineurs). La surgénération y est assurée par le Thorium, aussi ce type de réacteur permet-il de faire la transition entre le cycle ouvert actuel U-Pu et un futur cycle fermé Th-233U reconnu non proliférant. Ce concept a été retenu par le forum international Génération IV en 2008 pour être étudié comme futur modèle de RSF.

Pour plus de détails, voir la bibliographie dédiée au MSFR.


Historique : du MSBR au concept de MSFR - Etudes paramétriques

Dans le cadre des études de systèmes innovants pour la production d’énergie nucléaire, nous avons étudié l’utilisation du cycle thorium dans des Réacteurs à Sels Fondus (RSF). Ces réacteurs, utilisant un combustible liquide circulant dans un modérateur solide, ont été expérimentés avec succès dans les années 1960. Le projet de réacteur de puissance Molten Salt Breeder Reactor (MSBR) n’a cependant pas été retenu à l’époque. Bien qu’il ait été réévalué plusieurs fois au cours des dernières décennies, le MSBR souffre de plusieurs problèmes majeurs. En particulier, ce concept vise à obtenir la meilleure régénération, grâce à un retraitement du combustible très performant et donc très contraignant. Ce retraitement est considéré aujourd’hui comme irréalisable. De plus, les récentes réévaluations ont attribué au MSBR un coefficient de température total légèrement positif, et non négatif comme indiqué à l’époque. Cela en fait un réacteur éventuellement instable. Pour ces différentes raisons, le concept MSBR, bien que toujours considéré comme un des RSF de référence, ne peut pas aboutir à une installation industrielle.

Dans l’optique de trouver des solutions à ces divers problèmes et de définir le concept de Thorium Molten Salt Reactor (TMSR), nous avons mené un certain nombre d’études sur le sujet. Comme tout réacteur nucléaire, le TMSR doit répondre à différentes contraintes, au-delà des critères établis par le forum international Génération-IV. L’étude que nous avons menée consiste à analyser simultanément l’impact de plusieurs paramètres du cœur sur l’ensemble de ces contraintes. Cette solution vise à éviter de se fourvoyer trop longtemps dans des axes de recherche prometteurs dans un domaine, pour découvrir plus tard leur incompatibilité vis-à-vis des autres critères. Un grand nombre de caractéristiques du cœur a été soumis à cette analyse, ce qui a permis de réaliser une étude paramétrique détaillée des RSF en cycle thorium, et de mieux comprendre les phénomènes physiques régissant leur comportement. Nous avons été amenés à élargir considérablement notre champ de recherche. Nos premières études concernant le rapport de modération, au-delà des études précédentes, ont montré un comportement du cœur inattendu. En particulier, l’évolution du taux de régénération n’est absolument pas monotone. Fort de cette expérience, nous avons étudié la variation de nombreuses caractéristiques du cœur sur une très large gamme (Figure 2).

Mises à part les configurations très thermalisées, le coefficient de température s’améliore lorsque la thermalisation diminue, et ce jusqu’au spectre rapide. Nous confirmons donc les mauvaises caractéristiques de sûreté du MSBR, dont le spectre n’était pas assez dur. Par ailleurs, grâce à l’augmentation du nombre de neutrons disponibles, le taux de régénération est bien meilleur pour les configurations rapides qu’épithermiques. Parallèlement à cela, le durcissement du spectre s’accompagne à la fois d’une réduction de la durée de vie du modérateur et du flux de graphite irradié à gérer, ainsi que d’une augmentation prévisible de l’inventaire de matière fissile. On retiendra que les autres paramètres géométriques, tels que le volume du cœur ou le découpage en zones de modération, permettent une amélioration des performances du réacteur. Il est par exemple possible de réduire l’inventaire par GWé par une augmentation de la puissance spécifique du cœur. Par contre, le problème posé

par l’irradiation du graphite ne trouve pas de solution très satisfaisante. Jouer sur le découpage du cœur en différentes zones de modération aplatit le flux et homogénéise les dommages reçus, mais ne change rien à la courte durée de vie du modérateur. La configuration la plus rapide, ne contenant pas de graphite en cœur dans les régions de flux intense, est la seule qui ne soit pas handicapée par ce problème.

Si le cœur est entouré d’une couverture fertile, il n’est nullement indispensable de recourir à un retraitement très efficace pour garder la régénération. En effet, un retraitement de l’ensemble du cœur en 6 mois est suffisant dans la plupart des cas standard, c’est-à-dire dont les pertes neutroniques par fuites ou captures dans le modérateur sont suffisamment faibles. Les bonnes performances dans ce domaine des configurations à spectre rapide leur permettent même de se passer de couverture fertile.

Toutes ces études nous ont apporté une compréhension nouvelle du comportement des RSF, depuis les spectres très thermalisés jusqu’aux spectres rapides. Les résultats obtenus marquent une rupture vis-à-vis des connaissances passées. L’association usuelle entre cycle thorium, RSF et spectre (épi)thermique est maintenant dépassée, puisque les spectres rapides donnent des résultats très satisfaisants, voire bien meilleurs. Ceci remet également en cause les conséquences d’un démarrage du réacteur avec du plutonium. Produisant trop de TRU en spectre (épi)thermique, cette voie ne peut à présent plus être ignorée pour les RSF à spectre rapide. Il existe maintenant des solutions aux problèmes soulevés par le MSBR. Les coefficients de température peuvent être rendus négatifs, soit par un durcissement du spectre neutronique, soit par un maillage plus serré du réseau modérateur. Le réacteur peut être régénérateur pour des retraitements plus simples que celui envisagé pour le MSBR, et ce grâce à une couverture en thorium (ou sans pour un réacteur à spectre rapide). Enfin, le problème posé par la courte durée de vie du modérateur peut trouver une solution avec la configuration rapide ne contenant pas de graphite en cœur.

Nous retiendrons de ce travail que des configurations très acceptables de réacteurs peuvent ainsi être définies, répondant au mieux aux différentes contraintes, et ce pour tout type de spectre neutronique. Sans négliger les autres solutions, notre attention se porte plus particulièrement sur celle composée d’un canal unique de sel dans sa version conventionnelle ou très haute température.