Les réacteurs nucléaires à haute température.

         J’ai surtout parlé, dans mes articles, des réacteurs classiques à eau pressurisée (REP), ou des SMR, (Small modular reactors), petits réacteurs préfabriqués en usine, toujours à eau pressurisée, mais enfermés dans des caissons étanches et présentant une sécurité accrue qui leur permet de fonctionner près de locaux habités, usine par exemple.
          De plus tandis que les gros réacteurs sont essentiellement destinés à la fourniture d’électricité, les SMR peuvent être utilisés pour fournir de l’énergie thermique, par exemple à une cimenterie.
         Par contre, j’ai peu parlé des réacteurs AMR, (Advanced modular reactors), qui utilisent des techniques différentes de modération et d’échanges thermiques, et souvent de combustibles.
          Ceux-ci sont principalement de trois sortes :
                   - Les réacteurs à haute température. (RHT)
                   - Les réacteurs à neutrons rapides. (RNR)
                   - Les réacteurs à sels fondus. (RSF)

          Je ferai trois articles sur ces réacteurs nucléaire, aujourd’hui le premier sur les RHT.

Les réacteurs à haute température. (RHT)

         Dans un réacteur habituel REP, l’eau qui sert au refroidissement du cœur entre à environ 290 degrés C et ressort à 325, le cœur ne dépassant guère 400 d°C au niveau des gaines du combustible, celui-ci pouvant atteindre 1 000 d°C au centre de la barre. Pour l'empêcher de se transformer en vapeur, l'eau est maintenue à une pression d’environ 155 bars.
           Dans un réacteur à haute température, le caloporteur est à une température beaucoup plus élevée allant de 500 jusqu’à 1 000 d°C.
          Le caloporteur est un gaz, en général de l’hélium qui est inactif chimiquement. (éviter les corrosions). Par contre l’étanchéité est plus difficile à obtenir. Le ralentisseur de neutrons rapides est du graphite

            Le combustible de ces réacteurs est spécifique car il doit résister à ces hautes températures.
  Ce sont des « boulets » qui contiennent des particules de combustible appelé « TRISO ».(Tri-Structural Isotropic)
           Ces particules (de diamètre de l’ordre du millimètre), sont constituées d’un noyau fissile sphérique recouvert de couches de matériaux très résistants, dont la température de fusion est bien supérieure aux températures atteintes lors d’accidents graves, et qui empêchent la libération des produits de fission dans l’environnement.

          Le centre est une sphère d’oxyde d’uranium, enrichi à un taux de 5 à 20 % d’U₂₃₅, qui est entourée de trois couches de matériaux : (cf.figure)
                    - Une couche de carbone pyrolytique (PyC) poreux, qui offre une résistance mécanique et une barrière contre la corrosion et atténue la pression pour les deux couches suivantes.
                    - Une couche de carbure de silicium (SiC) dur, réfractaire, résistant à la corrosion, d’une grande tenue sous irradiation et qui présente une excellente conductivité thermique.
           Cette couche intermédiaire sert de barrière contre les produits de fission et les gaz, tout en offrant une résistance mécanique et une résistance à la corrosion. 
                     - Une couche externe de carbone pyrolytique (PyC) : Cette dernière couche de protection sert de barrière mécanique et de confinement des produits de fission et protège la couche précédente.
             Le carbone pyrolytique (ou pyrocarbone) est un matériau synthétique (inexistant dans la nature) similaire au graphite, mais avec des couches de graphène.

             Ces billes, de 1 millimètre de diamètre environ, sont compactées dans une poudre de graphite, formant ainsi des « boulets cylindriques.» de particules de 5 centimètres de hauteur et 1 à 2 centimètres de diamètre.
            Toutefois des boulets cylindriques sont aussi fabriqués de 4 à 6 centimètres de diamètre.
            Ces « boulets » sont ensuite empilés en couches dans le cœur du réacteur, en alternance avec des boulets ne contenant pas de combustible, mais du graphite, qui sert de modérateur pour ralentir les neutrons rapides.
            Un cœur de réacteur contient quelques milliards de petites particules, agglomérées en boulets.

            Schéma d’un réacteur HTR (cf la coupe d’un réacteur ci-dessous). 

          L’hélium gazeux sous pression (environ 70 bars),  joue le rôle de fluide caloporteur dans l’enceinte de droite, où se trouve le cœur du réacteur (en rouge) avec le combustible et le modérateur en graphite.
          Il actionne directement une turbine à gaz (partie de gauche) qui convertit la chaleur en électricité. À la sortie de la turbine, l’hélium est re-comprimé avant d’être renvoyé dans l’enceinte du réacteur.
          L’ensemble des modules est enterré.
Eventuellement la production d’électricité peut être remplacée par un échangeur de température dans un second fluide qui va servir de caloporteur à usage industriel.
           Les puissances envisagées sont de l’ordre de quelques centaines de MWe alors que les REP  des centrales électriques atteignent des puissances de l’ordre de 1 000 à 1 500 MWe.
           Mais la sureté est encore plus grande : ;e concept modulaire permet en cas d’accident d’évacuer la chaleur uniquement par rayonnement thermique. Cela assure alors le maintien de la température au-dessous d’un seuil critique (1600°C), sans qu’il soit nécessaire d’adjoindre au réacteur des systèmes de refroidissement de secours, particulièrement coûteux à cause de la fiabilité et de la redondance exigées d’eux.
           En outre la conception du combustible élimine les risques de fusion du cœur, et la durée de vie du combustible est supérieure à celle des barres classiques.
           Les réacteurs RHT sont plus faciles à conduire, car les variations thermique ou de puissance sont lentes et donner le temps de réagir
           Le combustible usé n’aurait pas besoin d’être retraité, les billes de carbure apportant un excellent confinement des matières radioactives.

         Réacteurs à haute température dans le monde.

           Les utilisations les plus envisagées pour ces réacteurs sont la production de chaleur industrielle et la production d’hydrogène. La production d’électricité est possible, mais les gros réacteurs de forte puissance (> 1500 MW) et les petits SMR sont pour le moment privilégiés parce que la filière à eau pressurisée est mieux connue.

           Les études de réacteurs à haute température sont relativement anciennes (elles ont débuté en 1960) et l’on constate trois périodes :
          Les premiers réacteurs prototypes utilisaient des cuves en acier et étaient logés dans des bâtiments en béton.
                - Aux USA Peach Bottom, 115MWth/40MWe, mise en production en 1967 et arrêtée en 1974.
                - Au Royaume Uni Dragon 20MWth mis en service en 1966 et arrêté en 1975.
               - En Allemagne, à Juelich, l’Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor (AVR), le premier réacteur sur lit de boulets, 46MWth/15MWe de 1967 à 1988
De l’oxyde de thorium a été essayé comme combustible.

          Une seconde série de réacteurs à haute température dans des cuves en béton précontraint, a profité de l’expérience de la première série.
                  - Le THTR-300 (Thorium High Temperature Reactor) est un réacteur allemand: près de Hamm. 750MWth/300MWe. Il utilisait également un lit de boulets et des oxydes de thorium et d’uranium. 1983 - 1989.
                 - le MHTGR (Modular High Temperature Gas Reactor) américaine à Fort St. Vrain. D’une puissance importante, 837MWth/330MWe, son combustible était composé de carbures de thorium et d’uranium. 1976 - 1989.
                  - Le HTTR (High Temperature Engineering Test Reactor) est un réacteur de 30MWt entièrement dédié à la production de chaleur montait jusque’à 1000 d°C. Mis en service en 1992 et arrêté suite à l’accident de Fukushima, il a été remis en service pendant l’été 2021.
                   - Le HTR-10 Chinois de 10 MW, a été développé notamment par l’université de Tsinghua. Sa construction a commencé en 1995 et la production commencée en 2003.
                   - Le projet français Antares de la société AREVA a été abandonné en 2010.

            La troisième série de réacteurs à haute température est constituée par les réacteurs modulaires récents ou en cours d’étude :        
                   - Le successeur du HTR10 chinois, chacun de 250MWt/105MWe avec génération de vapeur et un carburant enrichi à 8.5% et une température à 750°C. s
Son fonctionnement a débuté en 2020 et a servi de démonstrateur au HTR-PM 600, utilisant 3 de ces modules,  et pouvant produire 3x210MWe, qui est en construction.
                  - Une start-up américaine X-Energie, développe deux réacteurs à haute température :
                          • Le Xe-100, un réacteur de 80MWe, pouvant être combiné en packs de 4 pour faire des centrales de 320MWe.
                          • Le Xe-Mobile, un réacteur de 2 à 7 MWe tenant dans un container, idéal pour les communautés isolées.
                    - Une start-up française Jimmy-Energie, développe un micro-réacteur modulaire à haute température de 40MWth, pour produire de la chaleur industrielle.
                    - Une autre start-up française, issue du CEA, développe un petit RHT de 150 MW/t destiné à fournir de la chaleur en vue de la décarbonations de l’industrie.
                     - La Russie (le géant d'État Rosatom) étudie des RHT modulaires pour non seulement la production d'électricité, mais surtout la production industrielle massive d’hydrogène. Echéance 2032.
                      - l’Inde a également des projets en cours d’étude.

           Cette liste n’est toutefois pas exhaustive, car ill est difficile de réunir des renseignements au plan international; dans ce domaine.