II.1. Classification des filières nucléaires
:
Une filière nucléaire représente un
ensemble complet de procédés et de technologies visant à
exploiter les réacteurs nucléaires. Elle constitue un cycle d'une
chaîne d'activités industrielles depuis l'extraction des minerais
d'uranium, leur traitement, fabrication et conditionnement du combustible
nucléaire, le fonctionnement des réacteurs et la conversion de
l'énergie nucléaire en électricité ou
énergie thermique selon le besoin, le retraitement du combustible
usé, le recyclage et la gestion des déchets nucléaires
(stockage ou entreposage définitif) et finalement le
démantèlement de ces installations. Pour définir une
filière nucléaire on l'associe principalement au type du
réacteur nucléaire qui lui -même est distingué par
rapport à d'autres, en fonction du : [13]
·
Chapitre 1 Notions de neutronique et physique des
réacteurs
15
Combustible : ça comprend
UO2 naturel, plus ou moins enrichi ; les mélanges
d'oxydes uranium-plutonium (MOX), mélange d'oxydes uranium-thorium
· Modérateur : sa
présence signifie qu'on vise à utiliser beaucoup plus les
neutrons thermiques pour provoquer la fission, pour cela on peut utiliser de
l'eau légère ou lourde, le graphite ou du béryllium. Les
réacteurs à neutrons rapides, plus compactes et plus enrichi ne
nécessite pas de modérateur.
· Fluide Caloporteur : eau
pressurisée, eau bouillante, gaz (hélium, CO2),
métal liquide, sels fondus
Une génération de réacteur correspond
aux progrès majeurs intégrés la génération
en question en termes de sûreté de fonctionnement, de
sécurité et d'économie du combustible ou encore de
compétitivité.
Conventionnellement, il existe quatre générations
d'installations nucléaires :
- Les réacteurs de la 1ère
génération : ce sont les prototypes et les premiers
réacteurs de taille industrielle à usage commercial mis en
service entre 1950 et 1970. Ils sont entrés en service et
exploités d'une manière opérationnelle avant les
années 1970. IL s'agit essentiellement des installations
d'après-guerre (1939-1945). Ces réacteurs devaient faire la
démonstration du potentiel de la puissance atomique mise au service de
l'énergie civile. Des réacteurs à uranium naturel comme
combustible, le graphite comme modérateur et gaz carbonique comme
caloporteur (UNGG). [13]
- Les réacteurs de la 2nd
génération : ces réacteurs sont entrés en
service à partir des années 1970. Ils correspondaient à la
nécessité d'une meilleure compétitivité de
l'énergie nucléaire et d'une amélioration de
l'indépendance énergétique, dans un contexte de fortes
tensions sur le cours des énergies fossiles (choc pétrolier de
1973). La majorité des réacteurs actuellement en exploitation
dans le monde sont des réacteurs de génération 2. Il
s'agit notamment des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP) ou
à eau bouillante (REB). On notera également quelques
réacteurs à neutrons rapides (RNR) mais dont le
développement a été fortement réduit à cause
des polémiques sur l'énergie nucléaire et les
déchets produits à haute activité radioactive, surtout
lors des accidents pouvant survenir lors du fonctionnement de ces installations
(accidents Tchernobyl et Three miles Island). [13]
- Les réacteurs de 3ème
génération : C'est la génération en cours
de développement et qui s'apprête à prendre progressivement
le relais. Elle est beaucoup plus regardante en termes de sûreté
et de sécurité (résistance renforcée aux agressions
externes, type chute d'avion). Ces réacteurs tirent les enseignements du
retour d'expérience de
Chapitre 1 Notions de neutronique et physique des
réacteurs
16
l'exploitation des réacteurs de
génération 2, des accidents de Three Miles Island et de
Tchernobyl ainsi que des attentats du 11 septembre 2001. Trois réacteurs
sont en projet et qui répondent à ces critères : l'EPR
(european pressurized reactor), l'AP1000 (advanced
pressurized de 1 000 MWe) américano-japonais et l'AES 2006, dernier
modèle de 1 200 MWe du VVER russe.
- Les réacteurs de la 4ème
génération : correspond aux réacteurs,
actuellement en conception, qui pourraient voir un déploiement
industriel à l'horizon 2040-2050. Ils sont en rupture technologique
totale avec tout ce qui a été réalisé
jusqu'à présent. Les recherches sur ces systèmes du futur
sont menées dans le cadre du Forum international
Génération IV qui a établi les quatre critères
auxquels ils devront répondre : la durabilité, la
sûreté, la compétitivité économique et la
résistance à la prolifération nucléaire. [13]
Figure 1.6 : Récapitulatifs des 4
générations d'installations nucléaires selon la
classification du Forum
GENIV
Selon le Forum International Generation IV, qui est une
initiative du département d'énergie américain pour
instaurer une collaboration internationale en termes de classification et
développement des systèmes nucléaires de
4ème génération, six configurations sont
retenues dans une première phase de recherche et développement,
à savoir [13]:
· Réacteur à Neutrons Rapides à
Caloporteur Gaz (GFR : Gaz-cooled Fast Reactor)
·
Chapitre 1 Notions de neutronique et physique des
réacteurs
17
Réacteur à Neutrons Rapides à Caloporteurs
Plomb (LFR : Lead-cooled Fast Reactor)
· Réacteur Nucléaire à Sels Fondus
(MSR : Molten Salt Reactor)
· Réacteur à Neutrons Rapides à
Caloporteur Sodium (SFR : Sodium-cooled Fast Reactor)
· Réacteurs Nucléaire à Très
Haute Température (VHTR : Very High Temperature Reactor)
· Réacteurs à Eau Supercritique (SCWR :
SuperCritical Water Reactor)
III. Le concept des Petits Réacteurs Modulaires
(SMR : Small Modular Reactor)
III.1. C'est quoi un SMR ?
Selon les instances officielles internationales et mondiales
de l'énergie nucléaire, on désigne conventionnement par un
Petit Réacteur Modulaire (ou Small Modular Réacteur), tout
réacteur à fission nucléaire appartenant à la
catégorie des réacteurs produisant une puissance
électrique nette inférieure ou égale à
300??????. [14] Il faut savoir que les SMR ont été
déjà utilisé, initialement comme réacteurs de
recherche, ensuite comme solution militaire pour la propulsion navale et
éventuellement pour les engins spatiaux (satellite, station spatiale,
navette spatiale...). Actuellement ils refont surface avec un concept
totalement nouveau et assez innovant dans l'industrie nucléaire
énergétique.
a. Avantages et utilisation potentielle des SMR
:
Il faut dire que c'est cet aspect modulaire qui rend les SMR
beaucoup plus attractifs et prometteurs pour concurrencer dans le marché
énergétique mondiale, d'autres solutions plus vertes et plus
écologiques. Il est prévu de concevoir et de construire un SMR
prêt pour être installer sur site, une fois acheminé par un
transport logistique relativement accessible vu les tailles des SMR qui sont en
cours de développement.
Ces derniers se base essentiellement soit sur les technologies
déjà utilisé (Génération II+) ou bien sur
des technologies nouvelles (Génération III+), en alternant entre
les différentes filières existantes et celles en cours de
recherche et de développement.
Les spécificités des cahiers de charges des
projets SMR ont été dictées par l'observation des
problèmes rencontrés par les projets de réacteurs en cours
; à savoir :
1. Une taille/puissance plus réduite que celle des
réacteurs existants : 10 à 100 MWe dans la plupart des cas, et au
maximum 300 MW, contre 900 à 1 700 MW. Ceci permet déjà de
réduire les coûts (principal obstacle rencontré par les
projets nucléaires de nombreux pays)
Chapitre 1 Notions de neutronique et physique des
réacteurs
18
et d'adapter la solution nucléaire à des sites
isolés, souffrant habituellement d'un manque de main-d'oeuvre
qualifiée et de coûts élevés de
réalisation.
Figure 1.7 : Schéma artistique et descriptif
d'un réacteur SMR de type NuScale
2. Un caractère modulaire standardisé (figure
1.7), diminuant les couts et les délais de livraison, par
l'industrialisation des composants et du montage. Ceci représente en
effet, une adaptation progressive de la puissance de la centrale à
l'évolution des besoins, tout en rendant possible l'extension de
puissance par un montage d'un réseau de modules supplémentaires
[15] ;
3.
Chapitre 1 Notions de neutronique et physique des
réacteurs
19
Un confinement plus aisé, grâce à
l'intégration des composants dans un volume réduit et
hermétiquement clos. Ce qui permet de réduire les risques de
prolifération et permettre une gestion réduite au strict minimum.
Ainsi, certains SMR sont conçus pour être immergés dans une
piscine ; voire même construits en souterrain pour accroître leur
sécurité ;
4. Une fabrication et un assemblage possible dans une usine
dédiée, avant envoi sur le site où ils peuvent être
installés plus facilement qu'un réacteur classique.
5. Ils présentent une certaine souplesse, dans la
mesure où il n'est pas nécessairement connecté à un
vaste réseau électrique, et peut être combinés avec
d'autres modules s'il faut produire plus d'électricité. [15]
b. Fonctionnement et technologie d'un SMR
:
Les petits réacteurs modulaires (Small Modular
Reactors) sont une catégorie de réacteurs nucléaires
à fission, de taille et puissance plus faibles que celles des
réacteurs conventionnels, fabriqués en usine et
transportés sur leur site d'implantation pour y être
installés. Les réacteurs modulaires permettent de réduire
les travaux sur site, d'accroître l'efficacité du confinement et
la sûreté des matériaux nucléaires. Les SMR (d'une
puissance de 10 à 300 MW) sont proposés comme une alternative
à moindre coût, ou comme complément, aux réacteurs
nucléaires conventionnels. Les concepts de SMR sont très
variés y comprennent des réacteurs à neutrons thermiques
et réacteurs à neutrons rapides qu'ils peuvent être
conçus pour pouvoir se reproduire. Lorsque ces réacteurs
produisent de l'électricité, ils émettent suffisamment de
neutrons pour convertir les éléments non fissiles en
éléments fissiles. ; certains de ces SMRs sont des versions
simplifiées des réacteurs existants, d'autres mettent en oeuvre
des technologies entièrement nouvelles. Tous utilisent la fission
nucléaire. [16]
c. Le réacteur du type NuScale comme exemple
d'étude :
Dans le domaine des réacteurs SMR, NuScale Power,
basé à Portland (Oregon) dans les Etats-Unis d'Amérique,
est parmi les entreprises pionnières qui se sont lancés dans
cette filière de recherche et de développement des nouveaux SMR
[17]. On pourra également citer, la firme Oklo .inc qui développe
actuellement son modèle phare « Aurora » à
côté de l'entreprise TerraPower, la société
d'innovation nucléaire soutenue par Bill Gates, qui s'est lancé
dans le développement d'un nouveau petit système de
réacteur modulaire associé à une unité de stockage
à sel fondu. Ce nouveau concept, baptisé Natrium, est
développé en partenariat avec GE Hitachi Nuclear Energy.
Dans le présent travail on s'est
intéressé au modèle NuScale (35MWe) pour appliquer la
modélisation et la simulation MNCP5 ainsi que l'automatisation de calcul
via le langage Python, en prospectant un mélange de combustible
Uranium-Thorium.
Chapitre 1 Notions de neutronique et physique des
réacteurs
Pour ce modèle d'étude, Le concept de base
était basé sur les configurations utilisées dans un REP
type. Cette approche permet l'utilisation de l'expertise actuelle de
l'industrie et des capacités de fabrication. Le coeur utiliserait 17x17
assemblages combustibles (Carburant UO2, ou mixture UO2/ThO2). Les combustibles
à base d'uranium et de thorium-uranium sont évalué avec
plusieurs proportions et l'enrichissement correspondant à la
criticité de l'assemblage est défini en utilisant un calcul
automatisé faisant appel au code MCNP5 via un script Python. Le coeur en
question est composé d'un bloc carré intérieur de 16
assemblages et les 8 assemblages périphériques sans barres de
commandes [18].
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