Un nucléaire plus propre

© R2C2. Source : EMN/CNRS-IN2P3

Le regain d’intérêt actuel, au niveau mondial, pour l’énergie nucléaire peut être expliqué par l’accroissement de la demande d’électricité, la volonté de nombreux pays de diminuer leur dépendance énergétique vis-àvis d’autres pays, la raréfaction des ressources fossiles et l’impact supposé néfaste, sur le climat, de l’émission de gaz à effet de serre générée par la combustion de ces ressources. En France, le Parlement a voté en 2005 et 2006 deux lois qui, dans ce domaine, fixent les objectifs de développement et encadrent la recherche pour la décennie à venir : disposer de ressources très durables (plusieurs siècles), ce que ne permet pas le parc actuel de réacteurs à eau pressurisée (REP) ; améliorer la gestion des déchets en termes de recyclage, de stockage (un nouveau site doit être choisi en 2015) et de réduction de leur nocivité.

Des destructions modélisées
La conversion de l’énergie nucléaire en chaleur servant à produire de l’électricité découle de la fission de noyaux lourds (uranium, principalement) par des neutrons¹. Dans les REP, la relative lenteur de ces neutrons est en partie responsable de la formation d’atomes très durablement radioactifs tels que le neptunium, l’américium et le curium, qui sont des « actinides mineurs ». Une future filière de réacteurs « à neutrons rapides » (RNR) permettrait de consommer moins de ressources fissiles comme l’uranium et de générer moins d’actinides mineurs non recyclables. Les objectifs évoqués ci-avant impliquent deux stratégies possibles, l’une n’excluant pas l’autre : mettre en oeuvre des moyens de transformation nucléaire (on parle plutôt de transmutation) d’actinides mineurs en noyaux d’atomes dont la radioactivité est moins intense ou moins durable, et développer la filière RNR.

Notre équipe étudie la première option via la conception d’un type de réacteur « sous-critique » complémentaire des REP ou des RNR et nommé Accelerator Driven System (ADS) car son fonctionnement serait assuré par un accélérateur de particules. Ces dernières viendraient frapper des cibles (dites « de spallation ») installées au coeur du réacteur ; les collisions produiraient des neutrons rapides capables de transmuter les actinides mineurs (cf. figure 1). Par mesure de sécurité, la composition du coeur ne permettrait pas qu’une chaîne de réactions de fission puisse s’y autoentretenir comme dans un réacteur standard : si l’accélérateur ne fonctionne plus, l’ADS s’arrête (d’où l’appellation « sous-critique »).

Nos recherches visent à définir les caractéristiques d’un tel système : dimensions et géométrie du coeur ; nombre et emplacement des cibles ; énergie et intensité du faisceau de l’accélérateur ; nature et position des barres de commande qui permettent de réguler le flux de neutrons en absorbant une partie de ceux-ci ; nature du fluide caloporteur qui évacue la chaleur générée, etc. Nous optimisons tous ces paramètres grâce à des modèles et des simulations numériques dont certains résultats pourraient être confrontés à des expériences effectuées sur la maquette Guinevere², version très simplifiée d’un prototype de dimension réaliste qui devrait voir le jour vers 2022. Nous venons d’obtenir un ensemble de caractéristiques (cf. figure 2) qui permettent, en principe, « d’incinérer » ainsi des quantités intéressantes d’actinides mineurs : un faisceau de protons de 1 GeV (énergie) séparé en trois faisceaux de 20 mA (intensité) sur autant de cibles de spallation, une puissance thermique maximale de 1,4 GW, etc.

Des scénarios à étayer
L’étape suivante consiste à étudier des scénarios d’utilisation effective d’ADS dans un futur parc électronucléaire français, selon deux principaux cas de figure : un parc constitué exclusivement de REP et un parc de RNR (des parcs mixtes pourront être examinés ultérieurement). Cette étude est également très complexe parce qu’il faut considérer, dans chaque cas, différentes modalités possibles de recyclage des actinides mineurs (qui varient beaucoup entre les REP et les RNR), et cela sur une période allant jusqu’en 2150.

Nous estimons aujourd’hui que le nombre d’ADS adéquat, pour un parc constitué de REP, est inférieur à 10. Ces installations complémentaires induiraient un surcoût de production restant à préciser (des études préliminaires menées par le CEA³ l’ont évalué à 25 %) tout en tenant compte du fait qu’elles seraient capables d’assurer au moins 10 % de la production électronucléaire française.