Réacteur à neutrons rapides

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Schéma d'un réacteur à neutrons rapides et à fluide caloporteur constitué de sodium liquide

Un réacteur à neutrons rapides ou réacteur nucléaire rapide (RNR, en anglais, fast breeder reactor : FBR) est un réacteur nucléaire dont le cœur n'est pas modéré. On choisit délibérément de ne pas mettre de modérateur afin d'avoir des neutrons dits rapides, c'est-à-dire dont l'énergie cinétique est élevée. Ils ont donc un spectre décalé vers les hautes fréquences, d'où le terme parfois employé de spectre rapide.

Le fonctionnement en spectre rapide permet de limiter les captures stériles (c'est-à-dire les captures ne donnant pas lieu à une nouvelle fission), ce qui tend à améliorer l'efficacité du réacteur. Par définition, les neutrons rapides font aussi fissionner les matériaux fissibles.

En revanche, le taux de fuite des neutrons hors du cœur (neutrons qui sont donc perdus pour le réacteur) est plus élevé que dans un réacteur à neutrons thermiques, d'où la nécessité d'un cœur plus enrichi en matériau fissile. Des matériaux fertiles peuvent être disposées en périphérie du cœur (on parle de couverture fertile) de sorte à utiliser ces neutrons de fuite. C'est le principe de la surgénération : récupérer les neutrons sortants pour transmuter du matériaux a priori inutilisable (fertile mais non fissile) en matériau fissile. Les RNR correspondent à trois des six types de réacteurs nucléaires de génération IV.

En 2007, tous les RNR en fonctionnement sont conçus avec un circuit de refroidissement par du sodium liquide, c'est la filière des réacteurs nucléaires à neutrons rapides et à caloporteur sodium. Bien qu'inflammable au contact de l'air, extrêmement corrosif et réagissant violemment au contact de l'eau, le sodium est privilégié pour trois raisons : à la différence de l'eau, il ne freine pas les neutrons ; il a une capacité calorifique très importante ; enfin, son point de fusion est bas (87,80°C). D'autres caloporteurs métalliques sont étudiés, par exemple l'alliage Pb-Bi ou le plomb.

Des réacteurs à neutrons rapides sont exploités en Russie, en Chine, en Inde, aux États-Unis et au Japon. En Allemagne, un RNR fut construit en 1973 à Kalkar en Basse-Rhénanie. Après de nombreuses protestations, il ne fut pas mis en service comme prévu en 1987. La France n'a désormais plus de RNR opérationnel: le prototype industriel Superphénix a été arrêté en 1998, tandis que son prédécesseur, le réacteur expérimental Phénix, a été arrêté plus tardivement, le 12 septembre 2009. Le CEA réalise les opérations préparatoires au démarrage du démantèlement prévu en 2012. En parallèle, le CEA pilote ASTRID le nouveau projet de prototype RNR de 600MWe de Génération IV. En Russie, le réacteur de 600 MWe BN-600 fonctionne depuis 1980 à la centrale nucléaire de Beloïarsk (Russie). Le réacteur BN-800 reprenant la même technologie, mais de puissance supérieure est en construction sur le même site. Il existe également des projets en Inde et en Chine, le prototype chinois de 20 MWe été couplé au réseau le 21 juillet 2011. Le réacteur de Monju au Japon a redémarré en 2010, après avoir subi une fuite significative de sodium en 1995 et de lourds travaux de remise en état de fonctionnement.

Architecture

Les réacteurs à métal liquide peuvent être de type piscine ou de type boucle (voir schémas ci-contre). L'architecture piscine permet de maintenir en permanence le caloporteur du circuit primaire au sein de la cuve principale (Les pompes primaires et les échangeurs intermédiaires sont plongés dans la cuve principale), alors que les réacteurs à boucles utilisent des pompes primaires et des tuyauteries à l'extérieur de la cuve et des échangeurs externes.

Risques

Le sodium liquide peut s'enflammer au contact de l'air, désagréger le béton et générer une explosion au contact de l'eau. C'est ce qui s'est produit lors de l'accident qui est survenu dans le réacteur de Monju (Japon) en décembre 1995 (La Gazette Nucléaire n°157/158, mai 1997).

Pour éviter le risque de réaction sodium / eau, on adopte plusieurs précautions :

• Adjonction d'un circuit de refroidissement supplémentaire, appelé circuit secondaire ou intermédiaire, destiné à éliminer la possibilité de contact entre le sodium primaire, radioactif, et l'eau du circuit eau/vapeur.
• Mesures en sortie des générateurs de vapeur d'éventuelles traces de dihydrogène dans le sodium, produit par la réaction entre le sodium et l'eau qui aurait traversé les tubes du générateur de vapeur.

Pour limiter les conséquences d'inflammation au contact de l'air :

• Surveillance systématique des risques de fissures sur les canalisations du circuit secondaire.
• Détection de présence de sodium fuyard au contact des tuyauteries.

Expérimentations

Russie

• BOR 60
• BN-600, RNR à caloporteur sodium de puissance (600 MWe), en fonctionnement à la centrale nucléaire de Beloïarsk (depuis 1980)
• BN-800, RNR à caloporteur sodium de puissance (800 MWe), en construction sur le site de la centrale nucléaire de Beloïarsk (prévu pour 2012)
• BN-1800, projet d'un RNR à caloporteur sodium de grande puissance
• BREST, projet d'un RNR à caloporteur plomb de grande puissance

France

Superphénix

• Rapsodie, réacteur expérimental, en phase de démantèlement
• Phénix, réacteur de démonstration, arrêté en septembre 2009. Servira de laboratoire expérimental jusqu'en 2012.
• Superphénix, réacteur tête de série, arrêté définitivement.
• EFR, projet européen de réacteur à caloporteur sodium de type superphénix.
• ASTRID, projet français du nouveau prototype de RNR-Na (prévu pour 2020)

Japon

• réacteur de recherche Monju de la centrale de Tsuruga
• Joyo
• DFBR projet remplacé par FBR puis JSFR
• JSFR projet de réacteur à neutrons rapides de 1500 MWe^[1]

Allemagne

• SNR 300,Surgénérateur de Kalkar construit mais jamais démarré.

Italie

• PEC, à Brasimone, abandonné en cours de construction (1990).

États-Unis

Voir :

• EBR I, réacteur expérimental
• EBR II réacteur expérimental
• Integral Fast Reactor
• SEFOR (Southwest Experimental Fast Oxide Reactor)

Kazakhstan

Bâtiment réacteur du BN-350

Unité de dessalement associée

Le réacteur BN-350 est situé à Aktau (auparavant Shevchenko de 1964 à 1992), Kazakhstan, sur les rives de la mer Caspienne. Ce réacteur rapide surrégénérateur est mis en service en 1973 et arrêté en 1999. En plus de produire de l'électricité pour la ville voisine (150 MW), il produisait du plutonium (surgénération du combustible) et de l'eau potable par dessalement (120 000 m³/jour).

Inde

• Le FBTR (Fast Breeder Test Reactor) d’une puissance de 13MWe, basé sur Rapsodie a été mis en service en 1985 près de la ville de Kalpakkam. Son successeur, le PFBR (Protoype Fast Breeder Reactor) d’une puissance de 500MWe^[2] devrait être mis en service sur le même site en 2012^[3].

Royaume-Uni

Le site de Dounreay à l'extrême nord de l'Écosse a abrité deux prototypes de réacteurs à neutrons rapides :

• DFR (Dounreay Fast Reactor) qui a divergé juste après en 1959. D'une puissance électrique de 14 MWe, ce réacteur a cessé de fonctionner en 1977. Il était refroidi par un alliage de sodium et de potassium liquide.
• PFR (Prototype Fast Reactor) qui a divergé près de 20 ans plus tard en 1974 et fonctionné jusqu'en 1994. Ce réacteur était refroidi au sodium liquide et alimenté en combustible MOX

Le site de Dounreay appartient depuis 2004 au NDA. Son démantèlement est opéré par Dounreay Site Restauration Limited sous le contrôle de l'autorité de l'énergie atomique du Royaume-Uni (UKAEA). Son démantèlement fait partie de la priorité numéro deux du NDA, après le site de Sellafield.

Sur ce site se trouve également le DMTR (Dounreay Materials Test Reactor), un réacteur du type DIDO, qui a divergé pour la première fois en 1958. Son objectif premier était de faire des tests de comportement des matériaux sous haut flux d'irradiation neutronique. Il a été arrêté en 1969.

Chine

• Le CEFR (China Experimental Fast Reactor) prototype chinois de RNR construit par les russes OKBM Afrikantov, OKB Gidopress, Nikiet et l'institut Kurchatov a effectué sa première divergence le 21 juillet 2010^[4]. Ce premier réacteur expérimental chinois à neutrons rapides de quatrième génération d’une puissance électrique de 20 MWe (65 MW thermiques) a été couplé au réseau le 21 juillet 2011^{[5], [6]}

Voir aussi

Articles connexes

• Neutronique
• Surgénération
• Forum International Génération IV
• Réacteur nucléaire piloté par accélérateur

Liens externes

• RNR et surgénérateurs : Les réacteurs à neutrons rapides : la filière du futur ? sur le site laradioactivite.com

Notes et références

1. ↑ H. Hayafune, M. Konomura, Y. Tsujita, T. Nakamura, T. Iitsuka, N. Sawa, « Status of development of an integrated IHX/Pump Component », Proceedings of GLOBAL 2005 in Tsukuba, Japan, Oct 9-13, 2005
2. ↑ A creditable performance at Kalpakkam - 19/10/2005
3. ↑ Nuclear Power in India - WNA August 2011
4. ↑ Criticality for China’s first fast reactor - Nuclear Engineering du 21 juillet 2010
5. ↑ La Chine met en service un réacteur de quatrième génération - Le Point du 22 juillet 2011
6. ↑ Le premier réacteur expérimental à neutrons rapides de la Chine commence à produire de l'énergie - Chine Nouvelle (Xinhua) du 21 juillet 2011