Natrium de TerraPower : combinaison d’un réacteur à neutrons rapides avec un stockage intégré au niveau du réseau

La plupart des nouveaux réacteurs nucléaires à fission construits aujourd’hui sont du type réacteur à eau légère (LWR), qui utilisent de l’eau pour la modération des neutrons en neutrons thermiques ainsi que pour la capture des neutrons. Bien qu’ils soient simples et utilisés depuis les années 1950 dans des environnements commerciaux, ils sont également essentiellement limités au combustible à l’uranium (U-235). C’est là que les réacteurs à neutrons rapides sont très attractifs.

Les réacteurs à neutrons rapides peuvent également fissionner d’autres éléments fissiles, couvrant tout le spectre des sections efficaces des neutrons. Le réacteur Natrium de TerraPower est l’un de ces réacteurs à neutrons rapides, et c’est le premier réacteur rapide au monde qui vise non seulement une utilisation commerciale, mais est également livré avec son propre stockage au niveau du réseau sous la forme d’un réservoir de sel fondu.

Le résultat est que non seulement ces réacteurs Natrium peuvent utiliser tout le combustible usé des LWR aux États-Unis et ailleurs comme combustible, mais ils devraient également être très efficaces pour le suivi de charge, traditionnellement un point faible des centrales thermiques.

TerraPower et ses partenaires cherchent actuellement à construire une centrale de démonstration dans le Wyoming, sur le site d’une centrale au charbon en retrait. Il s’agirait d’un réacteur de 345 MWe (pic 500 MWe).

Pourquoi Natrium est passionnant

Rendu de l’usine de démonstration TerraPower Natrium. (Source : TerraPower)

Comme mentionné dans l’introduction, le réacteur Natrium peut utiliser non seulement l’U-235 comme combustible. C’est une propriété des neutrons utilisés dans le réacteur. En guise de rappel, l’eau utilisée dans les réacteurs à fission commerciaux actuels agit comme un modérateur sur les neutrons produits lors d’une réaction de fission nucléaire en chaîne, les ralentissant efficacement. Cela fait que les neutrons thermiques (‘lents’) résultants tombent directement dans la section efficace des neutrons pour l’U-235 et quelques autres éléments (par exemple les isotopes Pu), mais incapables de fissionner la plupart des transuraniens et des actinides.

Au fil du temps, l’accumulation de ces isotopes transuraniens et actinides « pollue » le combustible dans un REO au point où la réaction nucléaire en chaîne est bien moins efficace qu’avec des barres de combustible « fraîches ». C’est le moment où un REO est rechargé (généralement sur un cycle de 2 ans) et les crayons de combustible usé sont stockés ou retraités. Dans ce dernier cas, les isotopes problématiques sont éliminés par des procédés chimiques car une grande quantité de combustible U-235 reste dans ces barres de combustible.

Étant donné que Natrium n’utilise pas de sodium comme liquide de refroidissement au lieu d’eau (la raison de son nom), il peut utiliser des neutrons rapides ainsi que des neutrons thermiques. En conséquence, tout isotope fissile du combustible peut faire partie de la réaction nucléaire en chaîne, permettant à cette réaction de se dérouler jusqu’à ce qu’il ne reste plus d’éléments fissiles dans le combustible. Cela inclut l’U-238 qui constitue un grand pourcentage du combustible d’uranium.

Les réacteurs Natrium pourraient ainsi fonctionner avec le combustible usé stocké dans les piscines de refroidissement des REO du pays et ne produire que de faibles quantités de déchets à vie courte. Il s’agit essentiellement de l’aboutissement de décennies de recherche dans des réacteurs d’essai américains comme l’EBR-II et le FFTF et d’une portée similaire à celle de la série BN de réacteurs à neutrons rapides russes. TerraPower s’est associé à Centrus pour la production du combustible High-Assay, Low-Enriched Uranium (HALEU) pour le réacteur Natrium.

En plus de ces conceptions de réacteurs, Natrium ajoute également un stockage d’énergie sur site sous forme de sel fondu qui peut augmenter la puissance électrique du réacteur de 345 MWe à 500 MWe pendant environ 5,5 heures. Cela permettrait de couvrir de manière flexible les pics de demande.

Encore un long chemin à parcourir

Un aperçu des tâches et des responsabilités du CNRC.

Avant que quiconque soit autorisé à construire ou à exploiter une centrale nucléaire aux États-Unis, il doit passer par la Commission de réglementation nucléaire (NRC). Un panel d’experts analysera, commentera et exigera des modifications aux conceptions proposées jusqu’à ce qu’il soit convaincu que toutes les réglementations sont respectées et que toutes les questions pertinentes sont répondues. J’ai couvert ce processus en détail précédemment.

Pour le Natrium de TerraPower, ce processus de certification peut être suivi via sa page publique. Cela nous indique que Natrium est actuellement en phase de pré-candidature. Une fois la demande finalisée et soumise, la phase 1 du rapport d’évaluation de la sécurité (SER) peut commencer, qui passera ensuite par quelques autres phases avant d’aboutir au SER final (FSER), qui sera utilisé pour l’élaboration de la réglementation, au cours de laquelle point la conception Natrium sera autorisée pour les nouvelles constructions aux États-Unis.

Avec cette approbation en main, la NRC devrait encore approuver la construction de chaque réacteur Natrium individuel, impliquant davantage de rapports de sûreté, et afin d’être également autorisée à mettre le réacteur en marche et à l’exploiter commercialement, encore plus d’examens et de rapports de sûreté seraient être impliqué. Cela rend crédible l’affirmation de TerraPower (par exemple sur leur fiche technique) selon laquelle la conception de Natrium serait disponible pour un usage commercial (c’est-à-dire la construction de nouvelles usines) d’ici la fin des années 2020.

Repérez la concurrence

Modèle en coupe du réacteur BREST-300. (Source : Rosatom)

Le plus révélateur est peut-être que TerraPower n’est pas la seule entreprise à chercher à commercialiser un réacteur à neutrons rapides. En Russie, Rosatom et le fabricant de combustible nucléaire TVEL ont annoncé le début de la construction du réacteur refroidi au plomb BREST-OD-300. Comme la conception Natrium, il s’agit d’un réacteur à neutrons rapides de génération IV, mais il utilise du plomb comme réfrigérant au lieu du sodium, ce qui est avantageux en termes de capacité de transfert de chaleur car il a un point de fusion plus élevé que le sodium.

BREST-OD-300 est conçu pour avoir une capacité de traitement du combustible sur site, afin de maintenir un cycle fermé du combustible à l’uranium dans l’enceinte de l’usine. Parallèlement à ce type de réacteur, Rosatom envisage également de construire un certain nombre de réacteurs à neutrons rapides BN-1200 refroidis au sodium qui s’appuient sur les recherches effectuées avec les réacteurs BN-350, BN-600 et BN-800 depuis les années 1970. Jusqu’à présent, deux BN-1200 sont prévus pour la construction en Russie.

En Chine, le CFR-600 est en construction depuis 2017. Tout comme en Russie, l’idée est de faire fonctionner ces réacteurs rapides aux côtés des REO de manière complémentaire. Pendant ce temps, en Inde, son PFBR devrait être mis en ligne d’ici 2021, date à laquelle il sera principalement utilisé pour transmuter (générer) l’U-233 à partir de thorium dans le cadre du cycle du combustible indien à base de thorium.

Il est clair qu’il existe une demande de réacteurs à neutrons rapides commerciaux et que le réacteur Natrium de TerraPower pourrait être le meilleur pari des États-Unis pour faire partie de ce marché.

Ajout d’un stockage au niveau de la grille

Là où le réacteur Natrium de TerraPower est différent de la concurrence, c’est qu’il se concentre moins sur le rôle traditionnel des centrales thermiques qui consiste à obtenir autant de vapeur ou l’équivalent d’une turbine pour produire de l’électricité. Au lieu de cela, la chaleur du cœur du réacteur est évacuée à l’aide du liquide de refroidissement au sodium et stockée dans plusieurs grands réservoirs isolés. Ceci est similaire au fonctionnement de l’énergie solaire concentrée (CSP) avec stockage thermique.

Vue d’ensemble du transfert d’énergie thermique dans la conception du réacteur Natrium. (Source : TerraPower)

Cette énergie calorifique stockée peut ensuite être utilisée au besoin pour faire tourner un générateur électrique, chauffer des bâtiments, etc. En découplant les processus de génération de l’énergie thermique et de son utilisation pour produire de l’électricité, etc., la puissance électrique d’une telle centrale nucléaire peut varier de manière dynamique en fonction des besoins du réseau. Cela conduit TerraPower à annoncer Natrium comme le complément d’énergie ferme idéal à un réseau avec beaucoup d’énergie renouvelable variable (ERV) comme l’énergie solaire et éolienne.

Actuellement, les réseaux lourds en VRE reposent sur des turbines à combustion à cycle simple (SCCT) qui n’ont pas de récupération de chaleur résiduelle. Bien qu’elle soit beaucoup plus rapide à monter et à descendre que les turbines à cycle combiné (CCGT), une centrale CCGT aura un rendement thermique de plus de 60 %, alors qu’une centrale à cycle simple sera généralement d’un peu plus de 30 %, avec des rendements pires au ralenti, comme lorsqu’ils se tiennent prêts à couvrir les pics de demande.

L’image plus large

Le monde d’aujourd’hui est aux prises avec la prise de conscience que plus tôt nous nous débarrasserons des combustibles fossiles, mieux nous nous porterons. Pourtant, à l’heure actuelle, l’écrasante majorité de notre consommation d’énergie quotidienne pour les transports (même avec des véhicules électriques) provient encore de sources fossiles. Dans des États américains comme la Californie, le gaz naturel constitue l’écrasante majorité de ses sources d’électricité dans l’État en utilisant ses plus de 200 usines de gaz naturel. Il s’agit d’une combinaison de centrales SCCT et CCGT.

Avec l’augmentation rapide du déploiement des VRE, il est important de fournir des centrales de stockage et de pointe au niveau du réseau qui peuvent répondre rapidement à la fois à la demande d’électricité naturellement fluctuante, ainsi qu’à l’entrée variable de ces sources VRE. C’est un domaine où quelque chose comme la conception Natrium de TerraPower peut avoir beaucoup de sens, d’autant plus qu’il supprime l’argument des « déchets nucléaires » qui est souvent utilisé contre le nouveau nucléaire.

Indépendamment de la façon dont les choses se passent aux États-Unis, il semble clair que de nombreux pays sont prêts à adopter les réacteurs à neutrons rapides à des fins commerciales. Il reste cependant à voir si le concept de stockage thermique de TerraPower en combinaison avec une centrale nucléaire s’en tiendra. Il troque également une certaine efficacité thermique pour la commodité, ce qui peut ou non en valoir la peine à long terme et pourrait être mieux couvert par, par exemple, le stockage par batterie aux côtés d’une conception de centrale thermique traditionnelle.