Des avancées mais encore des recherches nécessaires
Des réacteurs de type HTR ont déjà fonctionné industriellement plusieurs années dans le passé : Fort Saint-Vrain aux Etats-Unis (de 1974 à 1989) avec une puissance de 330 MWe, et THTR en Allemagne (de 1982 à 1989) avec une puissance de 300 MWe. Ces réacteurs ont permis de valider les principes de la filière et d’engranger de nombreux résultats. Ils utilisaient des techniques disponibles à l’époque qui ne leur permettaient pas d’être compétitifs avec les réacteurs de forte puissance à eau pressurisée ou eau bouillante. Le renouveau d’intérêt et le caractère aujourd’hui très attractif de ces réacteurs est dû pour beaucoup à des avancées technologiques et à leur potentiel pour d’autres applications que la seule production d’électricité.
Les HTR des années 1980 utilisaient une technologie pour la production d’énergie qui les différenciaient peu des réacteurs classiques. L’électricité était produite par un cycle vapeur dans un circuit secondaire. La sûreté était assurée en cas d’accident par des systèmes de sauvegarde actifs, c’est-à-dire des systèmes dont le fonctionnement nécessite un apport extérieur d’énergie.
La première innovation consiste à construire des réacteurs de puissance limitée (des modules) au lieu de produire de l’énergie avec de très gros réacteurs. De cette façon, lorsque l’on perd le refroidissement normal du réacteur, la chaleur produite peut être évacuée par conduction et rayonnement thermique. Ce sont les lois de la nature qui assurent la sûreté de ce type de réacteur. Contrairement aux interventions, humaines ces lois ne sont pas soumises à l’erreur. C’est la raison pour laquelle leur sûreté est dite intrinsèque.
La construction de petits réacteurs permet de maintenir la température en dessous de 1600°C en situation accidentelle aussi grave que la perte du refroidissement du cœur sans qu’il soit nécessaire de faire intervenir un système de refroidissement de secours. Ceci est assuré par le seul effet de la conduction thermique dans le massif de graphite qui contient le cœur du réacteur et du rayonnement thermique de la cuve.
Billes de combustible HTR
Photo montrant la petitesse des billes de combustible. Ces billes de petite taille (1 mm de diamètre) sont rassemblées dans des boulets ou des bâtonnets, qui en contiennent chacun entre 10 000 et 16000.
© Framatome
Ce seuil de 1600°C permet de garantir l’étanchéité des billes de combustible et d’éviter tout relâchement de produits de fission. Il est très haut, ce qui permet en cas d’accident de tirer tout le bénéfice de la tenue exceptionnelle du combustible HTR à des températures très élevées (en fonctionnement normal, la température du combustible est inférieure à 1200°C). Ainsi, en cas de perte de refroidissement, la température ne monte que très lentement grâce à l’inertie thermique considérable du réacteur, que lui procurent les centaines de tonnes de graphite qui se trouvent dans le cœur et autour de lui.
Évacuation de la chaleur dans un réacteur HTR
Évolution de la température du combustible en fonction du temps, dans une situation accidentelle grave de perte du refroidissement du cœur en l’absence ou non d’hélium sous pression. Du seul effet de la conduction thermique (évacuation au sol), la température reste en dessous du seuil critique de 1600° C, pris comme objectif. L’inertie thermique du réacteur, due à la masse de graphite du modérateur, est considérable. La température évolue donc lentement (quelques jours), ce qui laisse le temps de prendre les mesures adéquates.
© Framatome/ General atomics
Sans aucune intervention des opérateurs, la température se stabilise au dessous de 1600°C au bout de plusieurs jours, ce qui laisse par ailleurs le temps de réagir et de prendre les mesures adéquates.
La sûreté intrinsèque d’un HTR modulaire permet de supprimer les systèmes de sauvegarde actifs nécessaires pour les réacteurs à eau bouillante ou pressurisée (REB et REP). Ces systèmes de sauvegardes doivent être redondants et respecter des normes de sûreté très exigeantes. Ces réacteurs sont de fait plus sensibles aux transitoires accidentels qui peuvent être rapides comme ce fut le cas à Fukushima. A ce point de vue, la conception des HTR serait beaucoup plus simple que celle des REP .
La seconde innovation est liée au cycle thermodynamique. L’idée principale est d’actionner directement une turbine avec l’hélium primaire au lieu de passer par un cycle vapeur. Cela élimine le besoin d’eau à haute pression, et donc les risques d’entrées d’eau. Cela élimine également le besoin de circuit secondaire, entraînant une réduction du coût. Enfin, cela améliore le rendement thermodynamique, ce dernier avoisinant les 50% à haute température de l’hélium, vers 850°C (ce rendement est d’environ 33% dans un REP et plafonne un peu au dessous de 40% dans les HTR à cycle secondaire vapeur).
Malgré ces avancées, les réacteurs à très hautes températures doivent encore relever de multiples défis techniques. Le plus grand défi et celui qui nécessite le plus de recherches concerne les matériaux capables de supporter des températures très élevées.
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