Energie nucléaire : la Chine définitivement en avance !

Avec quelques jours d’intervalle le monde entier a appris que la Chine était devenue l’incontestable leader mondial de l’énergie nucléaire du futur : le chargement en combustible du premier réacteur nucléaire à très haute température et la mise en fonctionnement d’un réacteur à sels de thorium fondu. Ces deux programmes de démonstration ont été planifiés il y a plus de dix ans et ont chacun nécessité le travail de milliers d’ingénieurs souvent formés dans des universités occidentales et de techniciens hautement qualifiés ainsi que le savoir-faire d’une multitude de petites entreprises de haute technologie. La Chine s’oriente donc résolument vers un avenir énergétique fiable et peu onéreux.

Le réacteur à très haute température refroidi avec de l’hélium est situé à Shidaowan dans la province du Shandong. Il s’agit de deux unités qui fourniront de la vapeur de très haute qualité pour alimenter une turbine de 210 MW électriques. La première unité est déjà opérationnelle et le complexe sera raccordé au réseau électrique avant la fin de cette année. La construction de cette usine a débuté en décembre 2012. La température de l’hélium en sortie de réacteur est de 750°C et après passage dans un générateur de vapeur cet hélium refroidi à 250°C retourne dans le réacteur. Le réacteur lui-même se trouve dans une cuve de 11 mètres de haut et de 3 mètres de diamètre comprenant des déflecteurs en graphite et des barres de contrôle entourant un dispositif innovant constitué d’un lit fluidisé de billes de combustible de 60 millimètres de diamètre. À pleine charge le combustible comprend 420000 billes de céramique contenant chacune 7 grammes d’uranium enrichi à 8,5 % d’isotope 235. Il faut un mois pour que le chargement soit complet.

L’intérêt d’un tel dispositif est que le réacteur peut fonctionner sans arrêt de rechargement puisque celui-ci peut être effectué en continu et en cas d’incident les billes peuvent être stockées dans des cuves ayant un volume tel que le processus de fission s’arrête en raison du déficit de quantité critique d’uranium. Il s’agit pour l’instant d’un prototype néanmoins producteur d’électricité qui permettra aux ingénieurs de se former pour l’étude d’unités de puissance plus importante ainsi que pour développer toutes les technologies afférentes dont en particulier la production d’hydrogène.

L’autre innovation chinoise se trouve implanté à WuWei dans la province du Gansu. Il s’agit du premier réacteur à sels fondus de thorium. Bien que cette technologie ait été explorée au début des années 1960 aux USA elle n’a jamais fait depuis l’objet de nouvelles recherches car le fonctionnement de ce réacteur est beaucoup plus problématique. Le fonctionnement en continu d’une telle installation requiert absolument une unité de retraitement chimique en ligne afin de séparer les produits de fission qui empoisonnent le fonctionnement normal de la fission en raison de leur très grande section de capture des neutrons. L’isotope naturel du thorium est le thorium-232 qui n’est pas « fissile » comme l’uranium-235 ou le plutonium-239. Il faut donc une source de neutrons pour initier la réaction nucléaire. Celle-ci est constituée d’uranium-235. Le thorium-232 capte un neutron et se transforme alors en uranium-233. Mais la situation se complique avec l’apparition de protactinium-233. Tous ces métaux se trouvent sous forme de fluorures mixtes fondus à partir d’une température d’environ 290°C. Le prototype de 3 MW thermiques permettra surtout d’étudier le cycle du combustible, le flux de neutrons étant particulièrement délicat à contrôler. Depuis 1969 aucun pays dans le monde n’a envisagé la construction d’un tel prototype.

Pourquoi s’intéresser au thorium ? D’abord parce que le thorium est beaucoup plus abondant que l’uranium et ensuite parce que la Chine accumule des quantités impressionnantes de « stériles » provenant de la purification des terres rares, stériles très riches en thorium. Pour clore ce deuxième chapitre il n’existe aucune information disponible quant au choix technologique des ingénieurs chinois : simple flux ou double flux. S’il s’agit de la technologie double flux la Chine est alors très novatrice en ce qu’un tel dispositif peut fonctionner indéfiniment car il ne comporte pas de réflecteur en graphite mais il est beaucoup plus complexe à mettre en œuvre (voir le lien wikipedia ci-dessous). Si les ingénieurs chinois réussissent ils auront fait franchir un grand pas à l’humanité qui n’aura alors dans l’avenir plus aucun problème d’énergie.

Sources : World Nuclear News, https://www.nature.com/articles/d41586-021-02459-w et

https://en.wikipedia.org/wiki/Liquid_fluoride_thorium_reactor#Removal_of_fission_products

Énergie nucléaire : la Chine accélère son avance

Outre le fait que la Chine est le premier émetteur de CO2 dans le monde ce pays dont la recherche & développement est planifiée sur le long terme a résolument décidé de « décarboner » sa production d’électricité à l’horizon 2060. Selon l’Agence Internationale de l’Énergie 48 réacteurs nucléaires sont couplés au réseau électrique et 15 autres réacteurs à usage commercial sont en cours de construction. À ces derniers il faut ajouter les réacteurs expérimentaux en particulier les réacteurs modulaires à haute température et combustible en lit fluidisé (pebble bed) et les surrégénérateurs refroidis avec du sodium liquide. J’ai déjà mentionné sur ce blog l’intérêt que porte la Chine sur ce type de réacteurs à lits fluidisés (billets des 9 mars et 16 décembre 2017). Ces réacteurs utilisent un combustible constitué d’uranium-235 enrichi à 8,6 % conditionné sous forme de billes recouvertes de carbure de silicium d’un diamètre de 6 cm. L’alimentation du réacteur peut se faire en continu sans arrêter son fonctionnement et le cœur du réacteur, un cylindre d’un diamètre de 3 mètres et d’une hauteur de 11 mètres (le cœur du réacteur n’occupant qu’un tiers de ce volume) contient 420000 billes de combustible, chaque bille contenant 8 g d’uranium enrichi. La température de sortie du fluide de refroidissement constitué d’hélium est de l’ordre de 750 °C. Ce fluide passe dans un générateur de vapeur pour produire de la vapeur ultra-sèche à une température de 567 °C. Les contraintes technologiques imposées par les températures et les pressions élevées ne permettent pas de dépasser une puissance thermique de 250 MW. Le site expérimental de Shidaowan dans la province de Shandong comporte deux unités qui produiront la vapeur nécessaire pour alimenter un seul turbo-alternateur d’une puissance électrique de 210 MW. Il est important d’insister ici sur le fait que la Chine ne dépend plus de l’étranger pour les turbo-alternateurs.

Il est donc facile de calculer un rendement MWe/MWth égal à 42 % pour cette installation en regard du rendement d’un PWR qui n’est que de 33 %. Les essais à froid sous pression sont maintenant terminés et concluants car la grande inconnue était la possible présence de fuites car l’hélium présente la particularité de s’infiltrer dans la moindre micro-fissure. Ce défi technologique d’un type nouveau a été résolu par les ingénieurs et techniciens de l’Institut des nouvelles technologies nucléaires (INET) de l’Université de Tsinghua. Pour donner un exemple des défis technologiques rencontrés le ventilateur de circulation de l’hélium se trouve dans l’enceinte du réacteur et l’ensemble de la partie tournante est monté sur des roulements magnétiques. Le contrôle du flux de neutrons est assuré par 24 barres de contrôle pouvant être complétées par des billes ne contenant pas de combustible. Enfin les générateurs de vapeur de structure compacte sont d’un type nouveau à écoulement hélicoïdal. L’avantage de ce type de réacteur est qu’il est entièrement modulaire et tous les éléments peuvent être construits en usine et assemblés rapidement sur site, ce qui réduira considérablement les coûts à l’avenir ainsi que la durée de la construction de ce type d’unité de production d’électricité. Une unité de 2 x 600 MWe déjà planifiée comportera en effet 12 modules réacteur-générateur de vapeur. Un autre avantage et non des moindres est l’impossibilité d’assister pour une raison ou pour une autre à une fusion du cœur du réacteur en raison de la nature du combustible sous forme de billes qui permet de vider le cœur du réacteur de son combustible qui est envoyée par gravité vers une piscine de stockage située sous la structure de l’ensemble réacteur-générateur de vapeur. Cette étape ouvre la mise en œuvre du même type de réacteur pour la production d’hydrogène, le carburant du futur pour les véhicules automobiles.

Il est maintenant indéniable que la Chine développe ses propres technologies innovantes dans le domaine de l’énergie nucléaire dans le cadre d’une planification sur le long terme alors que pour des raisons idéologiques stupides et infondées la plupart des pays occidentaux ont décidé de dénucléariser leur production d’électricité au profit de moulins à vent et de limiter les investissements dans les énergies carbonées, situation qui accélérera le déclin économique de ces pays.

Sources : IAEA, World Nuclear News et http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.01.020