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Crédit photo : Laboratoire national d'Oak Ridge
Prologue
Rien ne naît ni ne périt, mais des choses déjà existantes se combinent, puis se séparent de nouveau. Cet énoncé a été proposé par Anaxagore de Clazomènes (500 av. jc) et est probablement l'origine de la citation la plus connue en thermodynamique : "Rien ne se perd, rien ne se crée : tout se transforme". Cette citation - apocryphe - est tirée du Traité élémentaire de chimie d'Antoine Lavoisier (1789) :
« On voit que, pour arriver à la solution de ces deux questions, il fallait d’abord bien connaître l’analyse et la nature du corps susceptible de fermenter, et les produits de la fermentation ; car rien ne se crée, ni dans les opérations de l’art, ni dans celles de la nature, et l’on peut poser en principe que, dans toute opération, il y a une égale quantité de matière avant et après l’opération ; que la qualité et la quantité des principes est la même, et qu’il n’y a que des changements, des modifications. »
C'est en 1851 que William Thomson, aussi appelé Lord Kelvin, proposa dans une série d'article présentés à la Royal Society d'Édimbourg, ce qui deviendra le premier traité de thermodynamique générale. Dans un de ces articles Thomson démontra que toute la théorie de la puissance motrice de la chaleur repose sur deux propositions, énoncées respectivement par Joule, Carnot et Clausius : Première proposition - Joule -
Lorsque des quantités d'effet mécanique égales sont produites par tout moyen à partir de n'importe quelles sources thermiques, ou sont perdues dans des effets purement thermiques, les mêmes quantités de chaleur disparaissent ou sont générées (Philosophical Magazine and Journal of Science 19 - 1851).
Deuxième proposition - Carnot et Clausius - Si une machine est telle que, lorsqu'elle fonctionne en arrière, tous les moyens mécaniques et physiques de chaque partie de ses mouvements sont mis à contribution, elle produit alors, à partir d'une quantité de chaleur donnée, autant d'effet mécanique que peut en produire toute machine thermodynamique, avec les mêmes températures de sources réfrigérant (Carnot 1897).
La première de ses proposition n'est rien d'autre que la première loi de la thermodynamique, la loi de la conservation de l'énergie qui dit que : au cours d'une évolution, l'énergie ne peut être ni produite ni détruite. Elle peut toutefois être convertie d'une forme à une autre. En ce qui nous concerne, la fission atomique. En effet lorsqu'en 1905, Albert Einstein a conclu que la masse est elle-même était une forme d'énergie. Avec l'équation peut-être la plus célèbre du monde - E = mc2 - l'énergie est égale au produit de la masse et du carré de la vitesse de la lumière. On constate que la fission nucléaire du noyaux de l'isotope d'un kilogramme d'uranium 235 (U 235) sont capable de libérer une quantité d'énergie équivalente à 190 tonnes de pétrole brut, car elle diminue la masse initiale d'un gramme seulement, soit un millième de sa masse initiale. En revanche, la combustion d'un kilogramme de pétrole brut ne diminue la masse du combustible (et de l'oxygène nécessaire à sa combustion) que d'un dix milliardième, une réduction trop faible pour être mesurée.
C'est Enrico Fermi, en 1942, qui a été le premier à démontrer ce principe dans une pile atomique. Lorsqu'un noyau d'uranium 235 absorbe un neutron, il peut se fragmenter en d'autres isotopes comme le césium 140 et le rubidium 93.
source : ums.dz
Lors de cette réaction, il émet deux à trois neutrons et dégage 200 MeV (Mégaélectronvolt). à leur tour, les neutrons ainsi libérés vont contribuer à la fission d'autres noyaux d'uranium 235, entretenant la réaction en chaine au sein du réacteur nucléaire.
Le retour du fils prodigue
La technologie des réacteurs à sels fondus remontent au milieu des années 1960, ou le laboratoire d'Oak Ridge, aux États-Unis, a réussi à faire fonctionner leur prototype durant plusieurs années, sans jamais passer à une production industrielle (Oak Ridge brochure). Malgré de bons résultats, la commission de l'énergie atomique américaine stoppa le projet, afin de mettre en avant les réacteurs à eau sous pression (REP), qui sont les réacteurs les plus courant actuellement. Choix incompréhensible à posteriori, quand on sait les problèmes de gestion des déchets du secteur à l'heure actuelle. Ce type de réacteur peut tout à fait intégrer du combustible usagé dans ses réacteurs.
Dans les réacteurs à eau sous pression classique, le combustible est utilisé sous forme solide. ce sont des pastilles d'oxyde d'uranium empilées dans des tubes assemblés en crayons. Un des intérêts des MSR (Molten Salt Reactor / Réacteur à sels fondus), est que le combustible, un mélange de sels contenant la matière fissile : du fluorure de lithium ou du chlorure de sodium, est un fluide transparent qui se manipule bien plus facilement que les pastilles d'uranium 235 utilisées dans les réacteurs conventionnels. Il peut facilement passer par des tuyaux et des pompes, ce qui évite les manipulations humaines, et réduit les accidents. Une fois porté à haute température - 600 à 700 °C (selon le type de sels utilisé) - la chaleur est ensuite transmise au travers d'un échangeur à fluide caloporteur, aussi constitué de sels fondus.
Un autre avantage majeur, est que la puissance du réacteur se règle en fonction du débit du combustible, donc réellement pilotable. Un réacteur de ce type peut modifier sa puissance de 50 % en dix secondes, sans endommager les structures du réacteur et répondre facilement aux fluctuation du réseau (load following). Mais la vraie force de cette technologie est son combustible. C'e peut être un vrai fourre tout : il peut fonctionner avec de l'uranium 235, du plutonium ou du thorium. De plus les MSR ont la capacité, et non la moindre, d'utiliser des actinides mineurs que sont les déchets radioactifs de haute activité à vie longue (HAVL). Précisément ceux qui posent le plus de problème au secteur à l'heure actuelle. Enfin, étant donné que ce type de réacteurs fonctionnent à haute température, ils ont par conséquent un meilleur rendement - ils génèrent moins de déchets par KWh - et du fait de la réutilisation continue des actinides, résulte une absence de produits radioactifs à vie longue. Néanmoins le thorium est un combustible nucléaire possédant une radioactivité importante.
Small is beautifull
Si pendant de nombreuses années, fabriquer des centrales les plus grandes possibles, afin de réaliser des économies d'échelles plus importantes, la tendance actuelle est de proposer des réacteur plus petits et modulaire de moins de 300 MW (SMR). Ces réacteurs de par leur petites tailles, peuvent être installés indépendamment, dans des zones reculées, par exemples ou en réseau par addition (cogénération) en fonction de la demande. Autre grand point important non négligeable, est leurs conception. Si les réacteurs traditionnels sont complexes lourds à utiliser, les nouveaux réacteurs seront bien plus simple dans leur architecture. La production sera réalisée en série ce qui aura pour effet de les standardiser et de réduire les couts marginaux. Ce dernier point, non négligeable, réduit les couts des prix de 15 % pour la deuxième unité et de 5 % pour les unités produites suivantes. Ce qui rends les couts de productions d'approximativement 35 à 40 % moins chers qu'une unité FOAK (INL 2014).
Le Nucléaire du futur - États des lieux
La taille des réacteurs nucléaires n'a fait que croitre en 60 de développement. Certains réacteurs, comme l'EPR d'Olkiluoto 3 en Finlande propose une puissance de 1600 MW. Mais comme le montre ce projet, les problèmes se sont accumulés, les couts ont explosés et la construction commencée en 2005, pour un démarrage en 2009, aura normalement lieu en juin 2022. C'est en raison de ces soucis récurrents, que de nouvelles technologies plus simples et plus petites sont entrain de voir le jour. Les SMR (Small Modular Reactor - Petit Réacteur Modulaire).
Il y a actuellement plus de 70 projets de ses petits réacteurs en cours dans le monde (WNA 2021).
États-Unis :
le National Reactor Innovation Center (NRIC) qui projette la mise en service d'un réacteur d'un microréacteur d'une puissance estimée à 20 MWe, qui serait capable d'utiliser divers types de combustibles, comme : U 235 - l'UO2 - MOX - PU...
Nuscale avec le NuScale Power Module™, qui est capable de génèrer 77 MWe. Et dont le coût nivelé de l'électricité (LCOE) sera de 64 $ par mégawattheure (MWh) offrant ainsi une économie compétitive avec une volatilité réduite des coûts de production (Black & al 2018)(PDF)
États-Unis - Japon
France :
NAAREA qui compte proposer des réacteurs de petites taille (max 50 MW) capable de fonctionner avec des déchets miniers et des combustibles usagés issus des centrales actuelles.
Belgique :
MYRRHA qui est un prototype alimenté par un accélérateur de particules ADS (Accelerator Driven System). C'est l'accélérateur de particules qui génère des neutrons rapides formant à la fois le moteur et le carburant. Le réacteur est refroidi par un mélange de plomb et de bismuth, et est sous-critique, c'est à dire, facile à contrôler.
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