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LES RÉACTEURS
HYBRIDES |
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Le principe
des systèmes hybrides
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Un système hybride consiste
à associer un accélérateur de particules à un réacteur nucléaire.
L'idée n'est pas nouvelle puisque les premières recherches ont été
menées dès 1950 par l'équipe du prix Nobel
E. LAWRENCE, et se sont poursuivies notamment au Laboratoire de Los
Alamos pour l'incinération du plutonium.
La logique de base de ce couplage exploite le phénomène de
spallation : on a constaté que le choc
d'une particule (le plus souvent un proton) à très haute énergie (de
quelques centaines de mégaélectronvolts (MeV) , à quelques gigaélectronvolts
(GeV) sur un noyau cible pouvait permettre par interactions successives
l'émission d'un grand nombre de neutrons. Un
accélérateur peut ainsi faire office de générateur de neutrons pouvant
alimenter un réacteur nucléaire sous-critique : c'est le principe
de base du système hybride. L'appoint en neutrons de l'accélérateur
sert au contrôle de la réaction en chaîne qui est ainsi entretenue
dans un milieu multiplicateur de neutron sous-critique.
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L'intérêt
des systèmes hybrides
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La plupart des grands pays nucléaires mènent des études préliminaires
sur les systèmes hybrides, essentiellement dans l'optique de l'incinération
des déchets nucléaires. Certains y voient aussi l'ébauche (sans doute
pour le très long terme) d'une nouvelle génération de centrales de
production d'électricité nucléaire.
Incinération des déchets nucléaires
L'exploitation des réacteurs nucléaires produit une large gamme de
déchets, dont certains à "vie longue" (les actinides mineurs et quelques
produits de fission) qui resteront radioactifs pendant des dizaines
de milliers d'années (et, pour certains, pendant des millions d'années).
On cherche donc à transformer ces isotopes radioactifs à vie longue
en isotopes stables (c'est-à-dire non radioactifs) ou à durée de vie
beaucoup plus courte : c'est la transmutation. Cette opération "consommant"
des neutrons, on a pensé utiliser le système hybride pour transmuter
les déchets nucléaires à vie longue.
Dans sa fonction d'incinérateur, le système hybride offre deux atouts
fondamentaux :
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La possibilité
d'adapter la physique aux besoins de la transmutation :
C'est la propriété fondamentale qui a d'ailleurs
motivé les recherches sur les systèmes hybrides pour l'incinération
des déchets nucléaires. Les cœurs incinérateurs ayant de
fortes concentrations en actinides mineurs, leurs propriétés
neutroniques (réactivité, dynamique, etc.) seront sensiblement
différents des coeurs actuels à base d'uranium et de plutonium.
Pouvoir contrôler le réacteur en ajustant le bilan neutronique
par le flux de neutrons extérieurs venant de l'accélérateur
confère aux hybrides beaucoup de souplesse pour accueillir des
combustibles variés;
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La possibilité
d'optimiser le système accélérateur/réacteur :
Pour optimiser la fonction d'incinération des déchets, on peut
jouer sur chacune des 2 composantes (accélérateur et réacteur).
Les recherches ont montré que le meilleur schéma associait un
accélérateur de protons à un réacteur à neutrons rapides. On
trouve ici la confirmation de l'efficacité des neutrons rapides
dans les opérations de transmutation, phénomène motivant les
recherches menées par Superphénix puis Phénix. |
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Production d'électricité
Le professeur Carlo RUBBIA, prix Nobel de physique et directeur au
CERN (Centre
Européen de Recherches Nucléaires), a proposé en 1993 le concept "d'amplificateur
d'énergie ". Il s'agit d'un système hybride avec réacteur à neutrons
rapides, utilisant comme combustible du thorium et comme fluide caloporteur
du plomb fondu (et non du sodium fondu comme dans le cas de Superphénix).
Dans le "projet Rubbia", le système a cette fois pour vocation la
production électro-nucléaire. Par rapport aux autres types de réacteurs,
le système hybride offrirait, selon le Dr Rubbia, plusieurs atouts
fondamentaux :
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Fonctionnement en mode sous-critique,
donc plus grande sûreté d'exploitation. En fait le système hybride
ne permet d'améliorer la situation que vis-à-vis d'un des risques
nucléaires, celui de l'accident de type Tchernobyl ; en revanche
ce dispositif n'apporte aucune solution vis-à-vis du risque
de fusion de cœur par perte
de refroidissement. Dans la pratique, un système hybride devrait
donc être exploité dans les mêmes conditions de précaution et
de sûreté qu'un réacteur classique.
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Fonctionnement en circuit fermé
(le combustible irradié déchargé est réintroduit après extraction
des produits de fission) ce qui réduit notablement la production
de déchets. |
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Toutefois le Comité Scientifique et Technique d'Euratom s'est montré
très réservé sur cette utilisation potentielle des systèmes hybrides
pour la production d'électricité
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L'état
actuel des recherches dans le monde |
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Les principaux pays engagés dans la recherche
sur les systèmes hybrides.
On peut principalement mentionner :
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Union Européenne
: les recherches sont menées au sein du Programme Cadre
de Recherche et Développement de l'Union Européenne. La France
y joue un rôle déterminant.
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USA :
le projet du Laboratoire National de Los Alamos vise principalement
à l'incinération du plutonium. Après avoir étudié un réacteur
sous-critique à sels fondus, il examine, comme le Pr Rubbia,
un cœur sous-critique rapide.
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Japon
: dans le cadre du projet OMEGA (Options Making Extra Gains
from Actinides and fission Products), le JAERI
(Japan Atomic Energy Research Institute) travaille sur différents
modèles d'hybrides à neutrons rapides destinés à l'incinération
du plutonium et des actinides mineurs.
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Suisse
: à l'Institut Paul Scherrer (PSI)
de Villingen, on étudie le fonctionnement des accélérateurs
de particules, ce qui fournit une base de donnée très précieuse
sur les réactions de spallation. |
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Notons que tous ces travaux font l'objet de nombreux échanges internationaux.
Le programme français
Au sein de l'Union Européenne, la France s'est engagée dans
un programme ambitieux sur les systèmes hybrides. Les recherches actuelles
sont principalement menées dans le cadre du premier axe de la loi
du 30 décembre 1991 sur la gestion des déchets radioactifs à forte
activité et à vie longue : cet axe stipule en effet d'étudier toutes
les voies de transmutation des déchets. Un Groupement de Recherche
sur la Gestion des Déchets par des Options Nouvelles (GEDEON) a été
créé en janvier 1996 associant le CEA, EDF et le CNRS
(Centre National de la Recherche Scientifique).
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Les
principales recherches préalables à un développement des réacteurs
hybrides
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Les systèmes hybrides paraissent séduisants dans leur principe mais
beaucoup de progrès restent à accomplir avant de disposer d'outils
opérationnels. Parmi les principaux verrous technologiques, nous mentionnerons
:
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L'absence
d'accélérateurs de puissance suffisante :
dans la quasi-totalité des systèmes projetés, l'accélérateur
de particules est un accélérateur de protons de 1 GeV environ
; les intensités requises sont de l'ordre de 10 à 40 mA par
GW thermique. Or de tels accélérateurs n'existent pas
: les outils actuellement les plus puissants sont le cyclotron
de l'Institut Paul Scherrer (600 MeV et 1,5 mA) et l'accélérateur
de Los Alamos (800 MeV et 1 mA).
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Le problème
de l'interface entre l'accélérateur et le réacteur
: afin de maintenir un vide poussé au niveau de l'accélérateur,
il est nécessaire d'insérer une interface entre celui-ci et
la "cible de spallation" du réacteur. Le problème de cette "fenêtre"
n'est toujours pas résolu.
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Le système
de refroidissement au plomb :
on est très loin d'avoir résolu tous les problèmes liés à l'utilisation
du plomb comme caloporteur ; citons : les problèmes de corrosivité
du plomb (l'inadaptation des aciers actuellement disponibles
imposera le développement d'une nouvelle métallurgie), les difficultés
de maintien en température pour conserver l'indispensable fluidité,
les problèmes mécaniques (liés à la circulation du plomb fondu
dans les circuits) etc. |
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Que
peut-on attendre des systèmes hybrides ?
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Au
niveau de l'incinération des déchets
Il s'agit d'une voie apparemment prometteuse pour autant que l'on
puisse résoudre les multiples problèmes techniques qui subsistent.
D'après le projet mené dans le cadre de GEDEON, la
radiotoxicité des déchets nucléaires à longue vie pourrait être réduite
d'un facteur 100 à l'aide de 5 ou 6 réacteurs incinérateurs
dédiés. Chaque incinérateur serait constitué d'un accélérateur de
haute intensité (1 GeV et 20 à 40 mA) et d'un réacteur sous-critique
avec pour combustible principal les actinides mineurs. Le projet d'un
démonstrateur européen de beaucoup plus petite taille pourrait déboucher
aux alentours de la période 2010-2015.
Au niveau de la production d'électricité
Il paraît actuellement très douteux que l'on puisse concevoir à court
ou moyen terme une centrale économiquement rentable en couplant deux
outils aussi complexes et aussi coûteux qu'un accélérateur de particules
et un réacteur à neutrons rapides. Un certain nombre de ruptures technologiques
préalables paraissent indispensables avant qu'un système hybride puisse
prétendre remplacer les réacteurs classiques du parc nucléaire mondial.
Néanmoins les travaux menés dans le cadre de la gestion des déchets
pourraient apporter une contribution au progrès de ce nouveau type
de réacteur, qui constitue peut-être une voie pour le long terme,
au même titre que la fusion nucléaire.
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