Bien que le concept de fission nucléaire soit simple et direct, les nombreux choix concernant les types de combustible, la conception du combustible, les configurations des réacteurs, les types de caloporteurs, les types de modérateurs ou de réflecteurs à neutrons, etc. font que les réacteurs à fission nucléaire se sont développés en une large gamme de réacteurs. conceptions, chacune avec ses propres avantages et inconvénients. L’histoire du réacteur à lit de boulets (PBR) est parmi les plus intéressantes ici, avec son développement qui s’est déroulé depuis le projet américain Manhattan de l’autre côté de l’Atlantique jusqu’à l’industrie nucléaire allemande dans les années 1960, avant de trouver un foyer accueillant dans le secteur nucléaire chinois en pleine croissance. industrie de l’énergie.
En tant que conception de réacteur, les PBR n’utilisent pas de barres de combustible comme la plupart des autres réacteurs nucléaires, mais plutôt des éléments combustibles sphériques (« cailloux ») qui sont insérés au sommet de la cuve du réacteur et extraits au fond, permettant un ravitaillement continu, tandis que l’hélium agit comme liquide de refroidissement. Avec un fort coefficient de température négatif, la conception doit être extrêmement sûre, tout en fournissant de la vapeur à haute température pouvant être utilisée pour des applications qui nécessiteraient autrement une chaudière à charbon ou une turbine à gaz.
Alors que la Chine a récemment mis en exploitation commerciale son usine double PBR HTR-PM, pourquoi ce ne sont pas les États-Unis, l’Allemagne ou l’Afrique du Sud qui ont été les premiers à commercialiser les PBR, mais la Chine, un nouveau venu ?
Flux des cailloux
L’idée d’un réacteur à haute température refroidi au gaz, et du PBR en particulier, a été inventée pour la première fois par Farrington Daniels, physico-chimiste de formation, ce qui a conduit à la construction de la première unité de ce type aux États-Unis, sous le nom d’unité 1 du Peach. Centrale nucléaire du bas. Avec l’arrivée du concept du réacteur refroidi au gaz à haute température (HTGR), le Royaume-Uni a construit une conception quelque peu similaire sous la forme du réacteur Dragon, bien que l’unité Peach Bottom ait été la première à produire de l’électricité.
Tous ces HTGR ont en commun d’utiliser du graphite comme modérateur de neutrons, et de l’hélium comme liquide de refroidissement. Le graphite résiste très bien aux températures et l’hélium est un gaz inerte qui ne subira pas de réactions chimiques avec d’autres matériaux ou substances. De plus, l’hélium n’est pas sensible à la capture des neutrons et ne deviendra donc pas radioactif avec le temps. Ces paramètres de fonctionnement sont à l’origine de la partie « haute température » de la conception, car le cœur du réacteur peut fonctionner à des températures beaucoup plus élevées.
Alors qu’un réacteur à eau légère sous pression (REP) typique aura une température d’entrée du liquide de refroidissement du réacteur d’environ 290°C et une température de sortie inférieure à 350°C, la température d’entrée d’un HTGR est d’environ 250°C, avec environ 750°C à l’entrée. sortie. Cela le place au niveau ou au-dessus du niveau de température de la vapeur d’une centrale thermique au charbon standard et augmente fortement son efficacité thermique par rapport à celle des réacteurs à eau légère et à eau lourde. Le deuxième HTGR des États-Unis (Fort Saint Vrain, dans le Colorado) a été opérationnel de 1979 à 1989 (un an après la première unité Peach Bottom), mais étant le premier du genre (FOAK) d’un HTGR commercial, de nombreux concepteurs les problèmes ont été résolus au cours de l’exploitation commerciale, ce qui a finalement joué un rôle important dans sa fermeture, et finalement sa conversion en centrale au gaz naturel en 1996, alors que les États-Unis poursuivaient leur retour général aux combustibles fossiles plutôt qu’à l’énergie nucléaire.
Au-delà de ces deux HTGR, le réacteur expérimental UHTREX (1959-1971) du Laboratoire national de Los Alamos a également été construit, mais utilisé pour tester des types de combustibles plutôt que pour produire de l’électricité. Ces tests comprenaient un refroidissement direct du combustible sans gaine, ce qui a permis une combustion beaucoup plus élevée puisque les produits de fission pouvaient se déplacer dans le flux de liquide de refroidissement.
Avec l’arrêt du HTGR de Fort Saint Vrain, l’ère de ce type de réacteur en Amérique du Nord prend fin.
Côtelettes d’ingénierie allemandes
Bien que les HTGR américains et britanniques utilisaient essentiellement des barres de combustible, un peu comme leurs frères refroidis à l’eau, en Allemagne, Rudolf Schulten – professeur à l’Université RWTH d’Aix-la-Chapelle – a pris sur lui de développer une version utilisant des éléments combustibles sphériques. Cela a conduit à la construction du premier PBR au monde sous la forme de l’Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor, ou AVR. En tant que tout premier prototype PBR au monde, il a souffert de nombreux problèmes après sa mise en service en 1967, comme une fuite d’hélium. D’autres problèmes ont été découverts après son arrêt en 1967, sous la forme de cailloux coincés dans le réflecteur de neutrons en graphite inférieur et d’une fine poussière de graphite contaminée par des produits de fission, dont la trace remonte à la température élevée du réacteur de 950°C non fonctionne bien avec les particules de combustible enrobées de bi-isotropes (BISO, deux couches de pyrocarbone) qui ont provoqué une contamination par des isotopes radioactifs.
Des années plus tard, le prototype THTR-300 PBR a été construit, avec une mise en service en 1985. Il a utilisé de nombreuses leçons tirées de l’AVR, comme le fonctionnement du réacteur à une température plus basse pour une température de sortie de 750°C et l’utilisation de TRISO (tri -isotrope avec couche de carbone de silicium) particules de combustible enrobées qui résistent jusqu’à environ 1800°C. Ce réacteur a cependant été fermé en 1988 en raison du sentiment antinucléaire croissant en Allemagne, ce qui a également affecté ce qui aurait été la prochaine étape sous la forme de la conception modulaire du « module HTR » (PDF) développé par Siemens/Interatom. Cette conception modulaire implique plusieurs cœurs de réacteur connectés à un seul générateur de vapeur, ce qui facilite la mise à l’échelle de la puissance totale du réacteur.
Lorsque le projet du module HTR s’est avéré non viable en Allemagne en raison de la résistance de la société, un partenariat avec des pays comme la Chine a été établi, la construction du HTR-10 PBR chinois ayant commencé en 1995. Une grande partie de la résistance dominante contre l’énergie nucléaire en Allemagne L’origine de l’Allemagne remonte à la catastrophe de la centrale nucléaire de Tchernobyl (ChNPP) en 1986, qui a donné lieu à des écrits remplis de peur comme « Die Wolke » (Le Nuage, traduit par « Fall-Out »), un livre devenu une lecture obligatoire pour la jeunesse allemande dans laquelle les effets même d’une catastrophe de type Tchernobyl sont massivement exagérés.
L’ironie est peut-être que dans un pays qui adore se baigner dans des spas au radon radioactif et dans des eaux radioactives, les effets de la catastrophe de la ChNPP seraient ainsi exagérés, même si cette catastrophe a causé quelques dizaines de morts parmi les personnes proches du cœur détruit du réacteur RBMK, sans augmentation appréciable. dans les cancers et aucun effet génétique n’est transmis à la progéniture. Pourtant, parce que la peur est plus éloquente que l’évidence, la technologie allemande PBR est morte en Europe, a rencontré de la résistance en Afrique du Sud et a trouvé un accueil chaleureux en Chine, un pays qui se voyait confronté à une population en croissance rapide et aux demandes d’énergie qui en découlent.
Entrez le dragon
L’énergie nucléaire est un principe central de la politique énergétique de la Chine depuis le 20e siècle, les conceptions HTGR étant l’une des nombreuses pièces du puzzle nécessaires au bon fonctionnement du système. Parallèlement à de nombreux modèles étrangers à eau légère et à eau lourde, allant des AP1000 américains et des VVER soviétiques/russes aux PHWR CANDU canadiens, la Chine a cherché à acquérir de l’expérience avec autant de modèles de réacteurs que possible, pour l’incorporer dans de nouveaux modèles destinés à être utilisés sur le marché chinois. ainsi que pour ses exportations. Le HTR-10 étant le premier modèle PBR chinois, il constituerait un tremplin pour les prototypes suivants.
Aujourd’hui, le HTR-10 est toujours en ligne, après avoir été mis en service en 2000 et avoir servi de banc d’essai pour de nombreux aspects de la conception, y compris divers tests de sécurité (lien alternatif) comme la perte totale du refroidissement forcé, qui est un aspect où le La réactivité à température négative du réacteur et le combustible TRISO devraient éviter tout accident. Le prochain PBR chinois est devenu le HTR-PM, où « -PM » signifie « module à lit de galets », et qui met en œuvre pour la première fois le concept de module HTR avec deux modules de 100 MW.e (250 MWème chacun) noyaux. Après le début de la construction en 2012, il a été mis en service en 2021, a atteint sa pleine puissance en 2022 et a commencé ses opérations commerciales en décembre 2023.
Avec l’exploitation réussie de son deuxième PBR, la prochaine étape logique avec une telle usine basée sur des modules HTR sera d’augmenter le nombre de modules à 6, ce qui sera réalisé avec le bien nommé HTR-PM600. Sa conception est inchangée par rapport au HTR-PM, avec juste plus de modules pour augmenter la puissance thermique, avec comme objectif de conception de le rendre entièrement compatible avec les générateurs de vapeur des centrales à charbon (chinoises) existantes. Étant donné que les chaudières à charbon fonctionnent à des températures beaucoup plus élevées que les réacteurs à fission nucléaires conventionnels à base d’eau, cela n’était pas possible auparavant.
Il existe actuellement 3 092 centrales au charbon en activité en Chine, dont beaucoup pourraient probablement voir leurs chaudières remplacées par des PBR HTR-PM600 tout en conservant le reste de l’infrastructure. Parallèlement aux applications dans les industries (pétro)chimiques et autres où des températures élevées sont nécessaires, le HTR-PM600 ainsi que d’autres configurations HTR-PM pourraient être utilisés à la place, tout en offrant une flexibilité en termes de suivi de charge et de combustible utilisé, le thorium étant également une option ; une ressource dont la Chine possède bien plus que l’uranium dans son sol.
Un avenir à haute température
À l’heure actuelle, la Chine est le seul pays au monde à exploiter des HTGR commerciaux, ainsi que le seul pays à exploiter des PBR. Le Japon exploite son propre HTGR appelé HTTR depuis 1999, qui est d’une conception HTGR avec des barres de combustible plus étroitement liées aux HTGR des États-Unis. Il a repris ses activités en août 2021 et est considéré comme un banc d’essai important pour ses propres ambitions HTGR.
Il est incertain si les PBR ou autres HTGR reviendront prochainement en Europe ou aux États-Unis, même si des start-up américaines comme X-energy avec son Xe-100 PBR cherchent à percer sur le marché commercial. Le bon côté de ces start-ups est probablement qu’une grande partie du travail acharné de R&D a déjà été réalisée, les aspects généraux de la conception et la conception du carburant étant moins une supposition complète comme dans les années 1960. Passer de là à une conception compétitive et trouver le bon marché cible reste un défi majeur, qui incite probablement de nombreux acteurs à se tourner vers la Chine alors que son PBR modulaire tente de s’établir d’abord dans les verts pâturages du marché chinois.
