Les recherches pour un réacteur avancé et pratique

Nuclear industry news

juillet 27, 2021

Seaborg, une start-up danoise, a mis au point un nouveau concept de réacteur promettant de produire une énergie propre et fiable, le tout dans un modèle de petite taille. Le commercialiser mobilise tous les talents d’innovation de leur équipe technique, qu’Eirik Eide Petterse, cofondateur et PDG de la société, cherche toujours à agrandir.

La technologie de Seaborg a fait ses débuts il y a environ 60 ans avec des réacteurs expérimentaux conçus au Laboratoire national d’Oak Ridge, aux États-Unis. Ils représentaient de telles avancées que Seaborg veut les enrichir et les développer.

« La nécessité est la source de toute invention », affirme Eirik en riant. Il explique que sa technologie a vu le jour au cours d’un projet improbable visant à concevoir un avion à propulsion nucléaire qui devait compléter l’arsenal de défense des États-Unis pendant la guerre froide. Depuis le début, l’équipe d’Oak Ridge était consciente de devoir élaborer un concept à la fois petit, simple d’utilisation et fiable, même lors de manœuvres aériennes, décollages et atterrissages. Ils ont mis au point un modèle de 2,5 MWt dans lequel l’uranium utilisé comme combustible était mélangé à des sels de fluorure liquides qui circulaient dans le cœur du réacteur. Ils y étaient chauffés par les réactions de fission, puis passaient dans des échangeurs thermiques qui permettaient d’évacuer la chaleur que l’on pouvait ensuite utiliser à bon escient. Théoriquement, la chaleur nucléaire aurait alimenté les moteurs des avions au lieu du carburéacteur.

En définitive, de telles centrales d’énergie volantes n’ont pas eu lieu d’être, et pour diverses raisons valables, n’ont pas pris forme. Or, les équipes d’Oak Ridge avaient suffisamment appris de leurs expérimentations sur ce projet d’avion à propulsion nucléaire (Aircraft Reactor Experiment ou ARE en anglais) pour voir comment l’appliquer sur terre. Dans les années 1960, leur invention a ainsi continué d’exister sous la forme du Réacteur expérimental à sels fondus (MSRE en anglais). Ce dernier produisant trois fois plus de chaleur (7,4 MWt), la technologie de Seaborg s’est appuyée sur les recherches effectuées pour concevoir ce réacteur.

Les sels fondus présentent plusieurs avantages par rapport à l’eau, qui sert de caloporteur dans la plupart des réacteurs modernes. À des températures s’élevant à plus de 100 °C, l’eau se transforme en vapeur si elle n’est pas conservée sous pression. Des systèmes de réacteurs refroidis à l’eau doivent ainsi être faits de composants bien plus lourds pour stocker l’énergie physique ainsi produite. En outre, les bâtiments qui les entourent doivent respecter davantage de normes de sécurité. Les sels fondus permettent d’éviter ces contraintes mécaniques lourdes : ils restent liquides même à des températures allant jusqu’à 1 300 °C, ce qui est largement suffisant pour un grand nombre d’applications. À plus de 500 °C, les sels étant fondus, l’uranium peut y être dissous et circuler en continu en boucle depuis le cœur du réacteur. Un combustible liquide semble difficile à contrôler, mais les sels redeviennent solides à l’arrêt du réacteur. De plus, les systèmes de sécurité comportent notamment un réservoir d’évacuation afin de pouvoir drainer rapidement le combustible liquide et arrêter les réactions de fission si un problème survient dans le circuit principal.

Bien que le MSRE soit petit par rapport à ce que l’on trouve habituellement dans une centrale énergétique, Eirik explique qu’« il était suffisamment grand pour nous permettre de tester les pompes, l’échangeur thermique, le cœur du réacteur, les barres de commande, le réservoir d’évacuation, etc. » En ce qui concerne les sels combustibles, il indique que « la chimie s’est comportée comme prévu, sans problème de corrosion. Le réacteur a réagi comme prévu. »

Il ajoute que « d’après les scientifiques, le MSRE était un concept de réacteur ‘très pratique’ », soulignant qu’il s’agissait d’un beau compliment venant d’eux, tout compte fait. L’équipe d’Oak Ridge avait aussi créé une « source incroyable de référence » avec plus d’un millier de rapports techniques sur sa technologie et les essais effectués pendant la durée de ses opérations, tous rendus publics. Seaborg s’attache à l’heure actuelle à « en tirer des leçons et à tenter de lever les entraves ».

Malgré ses résultats probants sur le combustible à sels fondus, Oak Ridge avait également mis à jour certaines difficultés. Pour maintenir une réaction en chaine, les neutrons produits par chaque fission doivent être ralentis d’une manière ou d’une autre. Pour le MSRE, cette modération consistait à faire passer les neutrons dans du graphite. Le procédé était efficace, mais le graphite a tendance à se fracturer à long terme à cause du processus alternant en permanence entre réchauffement et refroidissement, ainsi que de minuscules changements au niveau de l’atome causés par la radiation intense. Oak Ridge a découvert que si le combustible liquide pénètre dans des fissures, il générerait toujours de la chaleur sans pouvoir être refroidis par les sels fondus, ce qui créerait à la longue des zones chaudes intenables. Après avoir identifié ce problème, l’équipe d’Oak Ridge a proposé pour seule solution de réparer ou remplacer le graphite. Or, ce type d’opération chirurgicale sur le cœur d’un réacteur ne pourrait jamais être considéré comme ‘pratique’ pour un système commercial.

 

Le tout liquide

L’innovation majeure de Seaborg consiste à éviter complètement le problème posé par le graphite en utilisant un tout autre type de matériau comme modérateur : un autre sel fondu, l’hydroxyde de sodium (NaOH). Ils ont ainsi mis au point un concept de réacteur qui n’a jamais été construit : un réacteur fait de tubes en alliage de métaux transportant le combustible sous la forme de sels fondus, qui passe dans des tubes plus larges où ces derniers agissent comme modérateur. Le Réacteur compact à sels fondus de Seaborg est un concept unique, n’utilisant que des liquides. Il présente un autre avantage : le poids d’une molécule NaOH étant d’environ 40 fois supérieur à celui du carbone dans une matrice en graphite, Seaborg doit utiliser beaucoup moins de NaOH pour la modération. Le réacteur tout entier peut ainsi être beaucoup plus petit. Cette technologie pourrait ouvrir la voie à de nouvelles applications pour l’énergie nucléaire. Seaborg propose de fixer ses réacteurs sur des barges nucléaires flottantes qui alimenteraient à terre et remplaceraient ainsi les centrales à charbon, en commençant par l’Asie du Sud-Est.

Le NaOH soulève également quelques problèmes. Utilisé dans les foyers en tant que produit nettoyant pour le four, sa manipulation demande quelques précautions pour ne pas se bruler au contact de la peau. Il est également corrosif pour le métal. Oak Ridge avait pu maitriser la corrosion dans leurs sels en les purifiant et en contrôlant les réactions chimiques à tel point qu’aucun problème n’avait été signalé au cours de leurs cinq années de service. Cependant, le réacteur de Seaborg doit durer 12 ans et il est cinquante fois plus gros que le MSRE, produisant 250 MWe.

Selon Eirik, « à Oak Ridge, ils ne sont pas allés très loin sur la maitrise de la corrosion. Ils ont reconnu les obstacles que cela créait et décidé de ne pas poursuivre dans cette voie. Ils n’ont pas étudié à quel moment la corrosion se produit, c’est donc un progrès scientifique depuis. » De nos jours, ajoute-t-il, « notre compréhension sur le sujet a fait de grands pas en avant, tout comme la science des matériaux. Nous pouvons créer des alliages mieux adaptés à ces environnements, et il existe des moyens de contrôler et minimiser la corrosion. »

Dans le domaine nucléaire, la corrosion crée un autre problème. Le tellure est produit par la fission et sera donc présent dans un combustible à sels. Il peut pénétrer dans les surfaces métalliques et se déplacer avec d’autres éléments au cours d’un phénomène appelé « corrosion intergranulaire ».  Oak Ridge avait mis au point plusieurs solutions consistant à protéger les surfaces et à ajuster les propriétés chimiques du sel combustible. D’autres progrès ont eu lieu depuis, mais « contrôler la corrosion dans une application industrielle sous irradiation n’avait pas encore été étudié. Nous sommes les premiers » , explique Eirik. Ces avancées depuis l’époque du MSRE « nous confortent sur le fait que le problème avec le tellure peut être résolu », ajoutant : « les pièces du puzzle sont bien là. »

 

Expansion

À l’heure actuelle, Seaborg œuvre principalement à prouver que la corrosion peut être maitrisée. Pour ce faire, l’entreprise utilise un nombre d’appareils d’essai qui servent à exposer des échantillons de métaux au NaOH à des températures opérationnelles, et observer la corrosion en résultant.

« Le cœur des essais effectués par Seaborg repose sur le contrôle de la corrosion dans les sels modérateurs et la mise en pratique les enseignements tirés depuis les années 1950. Mais il ne s’agit pas seulement de corrosion. Il faut aussi voir si l’assemblage de tous les éléments est simple », souligne Eirik. « Une expérience sur le terrain est importante. Il faut les souder, les tester, les inspecter, les entretenir » afin d’obtenir l’expérience nécessaire pour concevoir le réacteur final.

« Nous nous sommes fixés l’objectif de mener entre 20 et 30 boucles d’essai à Copenhague, pour lesquelles les expériences auront été conçues, installées et réalisées. » Les résultats seront transmis à l’équipe chargée de la conception du réacteur qui les intégrera dans leurs travaux en cours sur le concept du cœur du réacteur. « Le modèle conceptuel est prêt, nous travaillons maintenant sur le modèle de base, qui nous mènera à un prototype grandeur nature. »

De grands enjeux reposent sur la capacité de Seaborg à régler ce problème de corrosion. D’après Eirik, « c’est la dualité de l’innovation. Vous avez un avantage unique, mais cela comporte aussi des risques parce que vous faites quelque chose que personne n’avait encore tenté. » Les investisseurs de la société semblent être d’accord pour dire que l’avantage existe bien, et que les risques en valent la peine.

En 2020, Seaborg a réuni une somme s’élevant à des dizaines de millions d’euros d’un groupe d’investisseurs mené par Heartland, la société d’investissement du milliardaire Anders Holch Povisen qui a fait sa fortune dans le commerce de détail, ainsi que Team Europe, la société d’investissement du web entrepreneur, Lukasz Gadowski. Les deux ont de nouveau investi en mars en achetant toutes les parts d’un investisseur des premières heures, Pree Seed Ventures, qui avait investi dans Seaborg en 2018.

La base de connaissances établie par l’ARE et le MSRE est inestimable. Oak Ridge a laissé un catalogue public de plus d’un millier de documents scientifiques sur leurs découvertes. En les mettant à profit et faisant entrer les réacteurs à sels fondus au 21ème siècle grâce aux progrès effectués par la science des matériaux, Eirik espère avec une certaine modestie que son équipe « parviendra à construire un concept de réacteur assez ‘pratique’, voire ‘simplement pratique’. »

With 16 years of communication experience in the international nuclear industry, Jeremy supports clients who want to humanise nuclear energy and improve its public image so that it can play a full role in human development and environmental protection.

Jeremy Gordon
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