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Réacteurs hybrides (ADS)

Les ADS : des réacteurs pilotés par un accélérateur

Il n’est pas écrit dans les lois de la Nature que le seul nucléaire possible soit celui que nous connaissons. Parmi les filières qui pourraient voir le jour, une des plus attirantes par son caractère novateur est celle des réacteurs hybrides ou ADS (Accelerator Driven Systems). Les ADS marieraient deux technologies éprouvées, celle des accélérateurs et celle des réacteurs, le rôle de l’accélérateur étant de fournir un appoint de neutrons.

Schéma de réacteur hybride
Sur la gauche de ce schéma, un accélérateur de particules (cyclotron) délivre un courant de protons de 200 MeV d’énergie. Ces protons qui circulent dans un tube à vide pénètrent verticalement dans le cœur du réacteur où ils viennent frapper une cible. Les collisions sur la cible génèrent des neutrons dits de « spallation » qui se multiplient en provoquant des fissions. Le cœur est constitué de thorium (ou d’uranium), auquel on a ajouté des noyaux fissiles et des déchets radioactifs à transmuter. La chaleur dissipée dans le cœur est ici évacuée par un des échangeurs utilisant du plomb fondu, avant d’être transformée en électricité.
 © DRA (Source S.Adriamonje). ©

Les filières actuelles de réacteurs sont un héritage des développements militaires des années 1950. Ces réacteurs, qui fonctionnent essentiellement sur le même principe qu’il y a 50 ans, ont été conçus pour la production de plutonium et pour l’équipement des sous-marins, des porte-avions. C’est la raison pour laquelle les REP ont hérité d’un combustible (uranium), d’un procédé de retraitement, et même de déchets qui découlent des choix stratégiques de cette époque et qui tournent autour du plutonium.

Les réacteurs classiques ne sont le seul moyen d’utiliser la fission pour produire de l’électricité. Leur rendement thermique est limité du fait que la température dans le cœur ne dépasse pas 400°C. D’autre part en raison de la résistance des gaines à l’irradiation, il est difficile d’augmenter le « burn-up » (taux de combustion) des matières fissiles donc de les laisser plus de 4 ans en réacteurs pour les brûler entièrement.

Un amplificateur d’énergie
Dans un réacteur hybride, la dépense d’énergie requise par le fonctionnement de l’accélérateur est petite par rapport à la puissance thermique et électrique fournie par le réacteur. Pour cette raison, les réacteurs hybrides sont parfois appelés « amplificateurs d’énergie ». La figure montre le bilan énergétique d’un amplificateur d’énergie de 1500 MW (Mégawatts) thermiques proposé par Carlo Rubbia. La puissance électrique consommée par l’accélérateur s’élèverait à 20 MW. Après conversion de la chaleur en électricité, la puissance électrique de sortie serait de 625 MW, plus de 30 fois celle consommée par l’accélérateur.
© IN2P3 (Source J.P.Revol). ©

L’idée d’associer un accélérateur de haute intensité à un réacteur date des années 1950, à Los Alamos. Grâce à l’appoint de neutrons fourni par l’accélérateur, le réacteur peut fonctionner dans un régime sous-critique tout en produisant de l’énergie. La réaction en chaîne perd son caractère explosif. Il suffit de couper l’accélérateur pour arrêter le réacteur.

Un brûleur de déchets

L’accélérateur délivrerait des protons capables par leur énergie d’extraire lors d’une collision avec un noyau lourd une vingtaine de neutrons. Ces neutrons, appelés neutrons de spallation, mis en présence du matériau fissile du réacteur y déclencheraient ensuite des réactions de fission en nombre limité, le réacteur étant sous-critique. Ce nombre de fissions restant toutefois élevé, l’énergie récupérée dépasserait de beaucoup celle consommée par l’accélérateur.

Le surplus de neutrons rapides apporterait une grande souplesse dans le choix du combustible. On pourrait utiliser des combustibles à base de thorium (plus abondant que l’uranium), détruire ainsi le plutonium existant sans en produire et brûler les actinides , considérés comme les déchets les plus gênants de l’énergie nucléaire. Les ADS sont principalement envisagés pour cette application de la transmutation des déchets.

Ces vertus rendent séduisants les réacteurs hybrides, mais cette filière demande des développements technologiques importants. D’ambitieux programmes de recherches ont été entrepris pour en valider les principes. Un premier démonstrateur, avant un prototype à l’échelle industrielle, a commencé à voir le jour à partir de 2015. C’est le projet MYRRHA soutenu par la Communauté Européenne et développé au laboratoire de MOL en Belgique.

Le chemin est encore long, très long. L’accélérateur de Myrrha ferait près de 300 mètres. D’ici 2026, il est prévu de construire un accélérateur de particules de 100 MeV (mégaélectronvolts), pour démontrer la fiabilité de l’accélérateur de 600 MeV qui serait construit dans une deuxième phase.

PAGES ANNEXES : Pour plus d’information sur cette filière
– 1) : 
Principe des réacteurs ADS
– 2) : Des réacteurs sous-critiques
– 3) : L’accélérateur associé
– 4) : ADS : combustibles

Documents annexes : Contrôle de réactivité