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Le réacteur à sels fondus, un nouvel horizon pour la simulation

En collaboration avec un laboratoire du CNRS, CORYS développe un simulateur de réacteur nucléaire à sels fondus permettant d’interagir en temps réel avec le procédé. Cette technologie suscite aujourd’hui un regain d’intérêt mondial en raison de sa sûreté, de son rendement et de sa flexibilité. De quoi attirer les grands acteurs industriels.

Le réacteur à sels fondus est étudié par les académiques de nombreux pays depuis les années 50. Mais il n’a encore jamais été porté à l’échelle industrielle. Il n’en est pas moins très séduisant en raison de sa sûreté intrinsèque — le combustible, liquide, reste notamment à pression atmosphérique — et de sa flexibilité. La puissance fournie peut doubler en moins d’une minute !

45 % de rendement, bien au-delà du réacteur à eau pressurisée

Il utilise des sels à base d’uranium, de plutonium ou de thorium, portés à fusion entre 500 et 700 °C par la réaction nucléaire et mis en mouvement par des pompes. Leur puissance thermique est transmise via un second circuit de sels fondus à un fluide supercritique qui alimente des turbines pour générer l’électricité. Le rendement global pourrait atteindre 45 %, soit 12 points de mieux qu’un Réacteur à Eau Pressurisée (REP).

« Nous avons développé un code de simulation du cœur de procédé, LiCore, qui confirme sur le plan théorique tout le potentiel de cette technologie, annoncent Elsa Merle et Daniel Heuer, chercheurs au LPSC*, qui étudient les réacteurs à sels fondus depuis 1998. Mais pour aller vers des démonstrateurs industriels, il faut étendre le périmètre de simulation et interagir en temps réel avec le réacteur. C’est l’objet de la collaboration avec CORYS. »

Un démonstrateur fonctionnel disponible

Deux stages d’étudiants-ingénieurs, en 2018 et 2019, ont abouti en juillet 2019 à un premier démonstrateur sous ALICES®, l’outil de modélisation de CORYS. Ce démonstrateur intègre quatre ensembles : le réacteur proprement dit décrit par LiCore, la partie électrique, le circuit intermédiaire de sels fondus non radioactifs et le circuit de fluide supercritique*. Deux groupes d’échangeurs thermiques sont également représentés.

« ALICES® a confirmé à cette occasion sa polyvalence et sa robustesse, souligne Jean-Christophe Blanchon, responsable du projet chez CORYS. Nous sommes parvenus à encapsuler le code LiCore développé par Axel Laureau au LPSC. De même, nos bibliothèques nous ont permis de modéliser les fluides supercritiques, pourtant absents des réacteurs conventionnels. »

Par la suite, la profondeur de simulation pourra être améliorée pour représenter plus finement le réseau de distribution électrique. La flexibilité du réacteur à sels fondus lui permettrait en effet d’ajuster instantanément sa puissance aux fluctuations de charge. Or, celles-ci vont s’accentuer avec la montée des énergies renouvelables.

Arrêt, démarrage, procédures, analyses de sûreté : tout peut être étudié

A plus court terme, les chercheurs du LPSC misent sur cet outil pour pousser leurs travaux plus loin qu’ils ne l’ont jamais fait. « LiCore est conçu au régime de puissance normal et exécute un scénario écrit par avance, nous l’utilisons pour effectuer des études systématiques, rappelle Daniel Heuer. Le fait de pouvoir simuler tous les scénarios et d’interagir en temps réel ajoute une nouvelle dimension. »

Par exemple, le démonstrateur pourra réaliser des pilotages de démarrages, d’arrêts, de remplissages de cœur, des situations d’incident ou d’accident. Autant d’occasions de mieux comprendre le réacteur à sels fondus et de préciser son futur design au niveau des circuits intermédiaire et de conversion d‘énergie, y compris le contrôle-commande.

Autre thème, les analyses de sûreté et les procédures. « Sur un REP, les plages de pressions et de températures pertinentes sont bien connues, explique Elsa Merle. Avec les sels fondus, qui restent à pression atmosphérique, il faut tout réinventer en jouant cette fois sur les températures et la vitesse du fluide. » La chercheuse aura l’occasion d’y travailler dans le cadre du projet européen Samosafer qui débute le 1er octobre 2019.

Les déchets des réacteurs actuels utilisables comme combustible

Le simulateur sera fourni au LPSC et à Framatome, qui a déjà découvert une version intermédiaire en 2018. CORYS et le LPSC envisagent aussi de le mettre en ligne en mode interactif, sans accès au code. « Le réacteur à sels fondus présente un niveau de sûreté intrinsèque très élevé. Il faut en convaincre les décideurs et le grand public pour qu’il devienne socialement acceptable. » Ce simulateur intéresse aussi l’Agence Internationale de l’Énergie Atomique.

Dans leur version industrielle, ces réacteurs délivreraient 3000 MW de puissance thermique, soit environ 1300 MW de puissance électrique. Des versions de plus petite taille (Small Modular Reactor) sont également à l’étude. Ils utiliseraient comme combustible diverses matières nucléaires telles que le plutonium et le thorium, ou les déchets issus des centrales actuelles : uranium appauvri, uranium de retraitement, autres actinides…

Ce n’est pas la moindre vertu de cette technologie, sur laquelle de nombreux pays se penchent. La Chine s’apprête à investir 3 milliards de dollars pour construire un réacteur de démonstration dans le désert de Gobi. Les start-ups spécialisées dans le réacteur à sels fondus fleurissent dans le monde anglo-saxon. CORYS est fière de s’inscrire elle aussi dans ce mouvement qui amorce peut-être un virage majeur.

* Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie, CNRS Grenoble

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