Énergie nucléaire à sécurité intégrée

En février, j'ai survolé l'intérieur d'une machine qui pourrait représenter l'avenir de l'énergie nucléaire. J'étais en visite en réalité virtuelle à l'Institut de physique appliquée de Shanghai en Chine, qui prévoit dans les prochaines années de construire un réacteur expérimental dont la conception rend une fusion beaucoup moins probable. À l'intérieur du noyau - un endroit super chaud et intensément radioactif où aucun humain n'ira jamais - les couches de la centrale électrique se sont décollées devant moi : la cuve extérieure en acier inoxydable, la couche intérieure en alliage de haute technologie et enfin le combustible nucléaire. lui-même, des dizaines de milliers de sphères de la taille d'une boule de billard contenant des particules de matière radioactive.

Étant donné un accès sans précédent aux rouages ​​du programme de R&D nucléaire avancé de la Chine, j'assistais à la naissance d'une nouvelle technologie nucléaire. À travers le réacteur virtuel serpentait un système complexe de tuyaux transportant le fluide qui rend ce système spécial : un sel fondu qui refroidit le réacteur et transporte la chaleur pour entraîner une turbine et produire de l'électricité. Au moins en théorie, ce type de réacteur ne peut pas subir le type de panne catastrophique qui s'est produite à Tchernobyl et Fukushima, rendant inutiles les systèmes de sécurité coûteux et redondants qui ont fait grimper le coût des réacteurs conventionnels. De plus, les nouvelles centrales devraient produire peu de déchets et pourraient même consommer des déchets nucléaires existants. Ils pourraient fonctionner à l'uranium, qui alimente 99% des centrales nucléaires dans le monde, ou ils pourraient éventuellement fonctionner au thorium, qui est plus propre et plus abondant. Le but ultime de l'Institut de Shanghai : construire un réacteur à sels fondus qui pourrait remplacer la technologie des années 1970 dans les centrales nucléaires d'aujourd'hui et aider à sevrer la Chine du charbon qui pollue l'air de Shanghai et de Pékin, inaugurant une ère de , abondante et décarbonée.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de septembre 2016

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Au cours des deux prochaines décennies, la Chine espère construire le la plus grande industrie nucléaire au monde . Les plans comprennent jusqu'à 30 nouvelles centrales nucléaires conventionnelles (en plus des 34 réacteurs en service aujourd'hui) ainsi qu'une variété de réacteurs de nouvelle génération, y compris des réacteurs à sels fondus de thorium, des réacteurs à haute température refroidis au gaz (qui, comme les réacteurs en fusion -réacteurs à sel, sont à la fois très efficaces et intrinsèquement sûrs) et les réacteurs rapides refroidis au sodium (qui peuvent consommer le combustible usé des réacteurs conventionnels pour produire de l'électricité). Les planificateurs chinois veulent non seulement étendre considérablement la capacité nucléaire nationale du pays, mais aussi devenir le premier fournisseur mondial de réacteurs et de composants nucléaires, une perspective que de nombreux observateurs occidentaux trouvent alarmante.

Les efforts de l'Institut de Shanghai pour développer des réacteurs à sels fondus, une technologie qui est restée pratiquement oubliée aux États-Unis pendant des décennies, reflètent à quel point les ambitions nucléaires de la Chine sont audacieuses. Déjà, le gouvernement a investi quelque deux milliards de renminbi chinois (300 millions de dollars) au cours des cinq dernières années dans la R&D sur les sels fondus. La construction d'usines réelles nécessitera des dizaines de milliards de plus. Comme pour d'autres technologies nucléaires innovantes en développement dans le monde, il y a peu de garanties : bien que les gens aient utilisé de petits réacteurs expérimentaux à sels fondus, personne n'en a jamais construit un à l'échelle industrielle et ne l'a jamais raccordé au réseau. Pourtant, le gouvernement chinois s'attend à ce qu'une centrale de taille commerciale soit opérationnelle d'ici 15 ans, ce qui contribuera à relancer l'industrie de l'énergie nucléaire assiégée.

Les premières expériences avec des réacteurs à sels fondus ont été menées au Oak Ridge National Laboratory, dans le Tennessee, sous la direction de son directeur Alvin Weinberg à la fin des années 1950. Le programme chinois d'aujourd'hui est en fait le fruit d'un partenariat unique et quelque peu controversé entre Oak Ridge et l'Institut de Shanghai. Le programme de recherche américain a duré plus d'une décennie, mais a finalement été arrêté au profit de la technologie utilisée dans la grande majorité des centrales nucléaires aujourd'hui. Rétrospectivement, cette décision a contribué non seulement à la disparition d'une technologie nucléaire prometteuse, mais aussi à la longue stagnation de l'industrie.

Aujourd'hui, cependant, le monde a plus que jamais besoin de l'énergie nucléaire si nous voulons limiter le changement climatique. Selon l'Agence internationale de l'énergie, le la capacité nucléaire mondiale doit plus que doubler d'ici le milieu du siècle si nous voulons rester à moins de 2 °C de réchauffement. Dans l'état actuel des choses, cela semble peu probable. Plusieurs pays, dont la Chine et l'Inde, se sont lancés dans des constructions massives d'énergie nucléaire, mais la plupart impliqueront de gros réacteurs conventionnels - une technologie trop chère pour une grande partie du reste du monde. Même les pays, comme l'Allemagne, qui peuvent se permettre l'énergie nucléaire l'abandonnent progressivement parce qu'ils craignent une autre catastrophe. Cela rend les centrales nucléaires à sécurité intégrée en cours de développement à l'Institut de Shanghai d'une urgence primordiale.

Le monde a plus que jamais besoin de l'énergie nucléaire pour limiter le changement climatique.

Après ma visite virtuelle, Kun Chen, l'un des principaux scientifiques du programme des sels fondus, m'a ramené au bâtiment administratif principal de l'institut. La neige était tombée pendant la nuit et il faisait un froid glacial. Dans l'auditorium, une petite foule de membres du personnel s'était rassemblée pour une conférence de Xu Hongjie, le directeur du programme de sel fondu. C'était la semaine précédant les longues vacances du nouvel an lunaire et le banquet annuel de l'institut avait lieu ce soir-là. Xu a parlé pendant plus de deux heures de l'histoire de la technologie des sels fondus et de ses perspectives d'avenir.

C'est le rêve de la Chine depuis un demi-siècle, a-t-il déclaré. Auparavant, nous manquions des connaissances et des compétences nécessaires pour en faire une réalité. Nous avons maintenant les ressources, la technologie et l'expertise. Maintenant, nous pouvons le faire.

Réactions en chaîne

Alvin Weinberg est venu pour la première fois à Oak Ridge en 1945, juste après la construction de ses laboratoires dans les collines du nord du Tennessee pour fabriquer de l'uranium et du plutonium de qualité militaire. Un vétéran du projet Manhattan, Weinberg est devenu directeur du laboratoire national en croissance rapide en 1955 et a occupé ce poste jusqu'en 1973. Il était un physicien nucléaire pionnier et un philosophe de l'énergie nucléaire qui a utilisé l'expression marché faustien pour décrire la tension entre la soif d'énergie abondante de la société industrialisée et l'extrême vigilance nécessaire pour assurer la sécurité de l'énergie nucléaire. Selon lui, pour rendre cette source d'énergie à la fois propre et extrêmement bon marché, il faudrait rompre le lien entre l'énergie nucléaire et les armes nucléaires. Et le moyen de rompre ce lien était le réacteur à sels fondus de thorium.

Sous la direction de Weinberg, une équipe de jeunes chimistes, physiciens et ingénieurs enthousiastes a exploité un petit réacteur expérimental à sels fondus de 1965 à 1969. Ce réacteur à Oak Ridge fonctionnait à l'uranium ; L'objectif final de Weinberg était d'en construire un qui fonctionnerait exclusivement au thorium, qui, contrairement à l'uranium, ne peut pas facilement être transformé en bombe. Mais l'expérience du sel fondu a été abandonnée au début des années 1970. L'une des principales raisons était que Weinberg avait réussi à aliéner ses supérieurs en les avertissant des dangers de l'énergie nucléaire conventionnelle à un moment où des dizaines de réacteurs de ce type étaient déjà en construction ou en phase de planification.

À la fin du siècle, les États-Unis avaient construit 104 réacteurs nucléaires, mais la construction de nouveaux réacteurs s'était pratiquement arrêtée et la technologie était restée bloquée dans les années 1970. Parce que les réacteurs conventionnels nécessitent d'énormes enceintes de confinement coûteuses qui peuvent exploser dans des conditions extrêmes, et parce qu'ils utilisent des systèmes de refroidissement externes étendus pour s'assurer que le cœur de combustible solide ne surchauffe pas et ne provoque pas une réaction incontrôlable conduisant à une fusion, ils sont extrêmement coûteux. Deux nouveaux réacteurs en cours de construction en Géorgie pourraient coûter 21 milliards de dollars, 50 % de plus que l'estimation initiale de 14 milliards de dollars. Tout cela pour une technologie vieille de 40 ans.

Aujourd'hui, cependant, alors que le changement climatique s'accélère et que les responsables gouvernementaux et les scientifiques recherchent une technologie nucléaire sans les problèmes coûteux qui ont bloqué la version conventionnelle, le sel fondu connaît une renaissance. Des entreprises telles que Énergie terrestre , Puissance transatomique , Moltex , et Énergie mobile rivalisent pour développer de nouveaux réacteurs à sels fondus. Des programmes de recherche sur diverses formes de la technologie sont en cours dans des universités et des instituts au Japon, en France, en Russie et aux États-Unis, en plus de celui de l'Institut de Shanghai. Outre le travail de développement de réacteurs à combustible solide refroidis par du sel fondu (comme celui que j'ai visité virtuellement à Shanghai), il existe des conceptions encore plus radicales qui utilisent également des matières radioactives dissoutes dans du sel fondu comme combustible (comme l'a fait l'expérience de Weinberg ).

Comme toutes les centrales nucléaires, les réacteurs à sels fondus excitent les atomes d'un matériau radioactif créer une réaction en chaîne contrôlée. La réaction libère de la chaleur qui fait bouillir l'eau, créant de la vapeur qui entraîne une turbine pour produire de l'électricité. Les réacteurs à combustible solide refroidis avec du sel fondu peuvent fonctionner à des températures plus élevées que les réacteurs conventionnels, ce qui les rend plus efficaces, et ils fonctionnent à des pressions atmosphériques, ce qui signifie qu'ils ne nécessitent pas de cuves coûteuses du type de celles qui se sont rompues à Tchernobyl. Les réacteurs à sels fondus qui utilisent du combustible liquide ont un avantage encore plus intéressant : lorsque la température dans le cœur atteint un certain seuil, le liquide se dilate, ce qui ralentit les réactions nucléaires et laisse refroidir le cœur. Pour profiter de cette propriété, le réacteur est construit comme une baignoire, avec un bouchon de vidange au fond ; si la température dans le cœur devient trop élevée, le bouchon fond et le carburant s'écoule dans un réservoir blindé, généralement souterrain, où il est stocké en toute sécurité pendant qu'il refroidit. Ces réacteurs devraient pouvoir exploiter davantage l'énergie disponible dans les matières radioactives que les réacteurs conventionnels. Cela signifie qu'ils devraient réduire considérablement la quantité de déchets nucléaires qui doivent être manipulés et stockés.

Parce qu'ils ne nécessitent pas d'énormes structures de confinement et ont besoin de moins de combustible pour produire la même quantité d'électricité, ces réacteurs sont plus compacts que les centrales nucléaires d'aujourd'hui. Ils pourraient être produits en masse, dans des usines, et combinés en réseaux pour former de plus grandes centrales électriques.

Tout cela devrait les rendre moins chers à construire. Contrairement à l'éolien et au solaire, qui sont devenus beaucoup moins chers au fil du temps, les centrales nucléaires le sont devenues beaucoup plus. Selon l'Energy Information Administration des États-Unis, le coût de construction d'une centrale nucléaire ajusté en fonction de l'inflation est passé de 1 500 dollars par kilowatt de capacité au début des années 1960 à plus de 4 000 dollars par kilowatt au milieu des années 1970. Dans son dernier calcul, en 2013, l'EIA a constaté que le chiffre était passé à plus de 5 500 dollars, plus cher qu'une centrale solaire ou un parc éolien terrestre, et bien plus qu'une centrale au gaz naturel. Ce coût initial est amplifié par la grande taille des réacteurs ; à la moyenne citée par l'EIA, une centrale d'un gigawatt coûterait 5,5 milliards de dollars, un investissement risqué pour toute entreprise.

Ces coûts initiaux sont contrebalancés par le fait que les centrales nucléaires sont relativement bon marché à exploiter : dans les nouvelles centrales, le coût actualisé de l'électricité, qui mesure le coût de l'électricité produite pendant la durée de vie de la centrale, est de 95 $ par mégawattheure, selon à l'EIA - comparable au coût de l'électricité provenant de centrales au charbon et inférieur à celui de l'énergie solaire (125 $ le mégawattheure). Pourtant, les centrales au gaz naturel sont beaucoup moins chères à construire et le coût de l'électricité qu'elles produisent (75 $ le mégawattheure, selon l'EIA) est également inférieur. Le durcissement des réglementations sur les émissions de carbone rend le nucléaire plus attractif, mais la réduction du coût de construction est essentielle pour l'avenir de l'énergie nucléaire zéro carbone.

C'est le discours d'une nouvelle génération de startups travaillant sur des réacteurs nucléaires avancés, dont plusieurs sont financées par des investisseurs de la Silicon Valley. Transatomic Power, par exemple, a été fondée par une paire de docteurs du MIT, Leslie Dewan et Mark Massie, qui ont conçu une centrale de 520 mégawatts (environ la taille d'une centrale à charbon moyenne aujourd'hui) qui, selon eux, peut être construite pour 2 milliards de dollars, ou 3 846 $ par kilowatt de capacité. Cela correspond au coût de construction d'une centrale solaire, mais aurait l'énorme avantage de pouvoir produire de l'électricité en continu, pas seulement lorsque le soleil brille. Terrestrial Energy, qui a récemment remporté une subvention de recherche du gouvernement canadien pour construire un prototype de réacteur, affirme que son réacteur à sels fondus pourrait éventuellement être construit pour aussi peu que 2 000 $ le kilowatt.

Mais même si les conceptions de sels fondus ont dynamisé de jeunes technologues inventifs, obtenir une nouvelle technologie d'énergie nucléaire sous licence et construite aux États-Unis reste une perspective décourageante. La simple demande d'une licence auprès de la Commission de réglementation nucléaire peut prendre des années et coûter des centaines de millions de dollars, c'est pourquoi certaines de ces startups peuvent ne jamais démarrer. De plus, même 2 milliards de dollars représenteraient beaucoup d'argent pour les investisseurs et les services publics à dépenser pour une technologie non éprouvée avec des avantages financiers discutables. C'est pourquoi le programme le plus proche de la production d'un réacteur fonctionnel se trouve en République populaire de Chine.

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Alors même que l'expérience originale avec la technologie des sels fondus s'achevait aux États-Unis dans les années 1970, un petit groupe de chercheurs de l'Institut de physique appliquée de Shanghai, qui fait partie de l'Académie chinoise des sciences, lançait sa propre enquête sur le thorium. réacteurs à sels fondus. Mais la Chine, qui ne démarrera pas sa première centrale nucléaire avant 1991, manquait d'expertise et d'argent pour développer les machines sophistiquées et les matériaux coûteux des réacteurs avancés. Au 21e siècle, comme tous les autres pays dotés d'énergie nucléaire, la Chine s'appuyait sur des réacteurs conventionnels. Mais les braises du concept brillaient encore dans l'esprit des scientifiques nucléaires chinois.

Les délais sont agressifs, du moins selon les normes de l'industrie nucléaire lente.

Du point de vue chinois, le thorium a un avantage particulier : alors que la Chine continentale possède un petit pourcentage de l'uranium mondial, elle a beaucoup de thorium. Disposer d'une source abondante d'énergie sans carbone résoudrait plusieurs des dilemmes énergétiques de la Chine d'un seul coup. Aux yeux du gouvernement central, nous ne sommes pas là pour faire des technologies matures - nous devons créer quelque chose de nouveau, quelque chose de stratégique, explique Kun Chen, le scientifique du sel fondu qui a dirigé ma visite virtuelle à Shanghai. Vous devez voir grand.

Formé à la prestigieuse Université des sciences et technologies de Chine, à Hefei, Chen a obtenu un doctorat de l'Université de l'Indiana et a travaillé pendant plusieurs années au Laboratoire national d'Argonne (qui, comme Oak Ridge, fait partie du Département américain de l'énergie). Mais il est revenu en Chine pour construire un réacteur qui changera le monde.

Il en a entendu parler en 2009, lorsqu'il s'est rendu à Shanghai pour présenter un séminaire à l'Institut de physique appliquée. Un scientifique lui a parlé du réacteur à sels fondus au thorium, un projet qui n'a pas encore été financé ni annoncé. Notre équipe a obtenu la plupart des documents techniques sur le Web - ils ont été publiés par l'équipe d'Oak Ridge, se souvient Xu Hongjie, le directeur du programme des sels fondus, en secouant la tête d'admiration ou d'étonnement face à l'ouverture des Américains. Ils y ont tout posté gratuitement.

À la demande pressante de Xu, Chen a rejoint le Institut de Shanghai en 2010, et aujourd'hui il est en charge de la collaboration avec Oak Ridge. Le laboratoire américain contribue à la recherche sur les matériaux, les systèmes de contrôle et les simulations informatiques pour le projet et a construit une grande installation d'essai de sel fondu qui a été financé par l'Académie chinoise des sciences. Alors que certains scientifiques et défenseurs de l'énergie nucléaire s'opposent avec véhémence à l'idée d'aider la Chine à construire une industrie nucléaire de pointe, de nombreux ingénieurs d'Oak Ridge sont simplement impatients de voir des réacteurs à sels fondus construits quelque part. L'une des choses importantes à réaliser est qu'un certain nombre de personnes clés dans les réacteurs à sels fondus prennent leur retraite très rapidement ou décèdent, déclare David Holcombe, qui dirige la collaboration d'Oak Ridge avec l'Institut de Shanghai. Vous ne pouvez pas simplement importer un nouvel ensemble de personnel si nous voulons maintenir cette capacité. La Chine fournit le financement qui nous permet de transférer ces connaissances, d'acquérir une expérience pratique de la construction et de l'exploitation de ces réacteurs.

J'ai été frappé par la confiance et l'idéalisme des jeunes scientifiques travaillant à l'institut - un optimisme jamais vu dans les cercles nucléaires américains depuis des décennies.

Pour commencer, l'Institut de Shanghai prévoit d'adopter une approche hybride, en utilisant du sel fondu pour refroidir un cœur de combustible solide similaire à ceux des centrales nucléaires conventionnelles. Ensuite, dit Chen, l'équipe passera aux carburants liquides pour réaliser pleinement le potentiel de sécurité et d'efficacité de la technologie. Au début, le combustible sera de l'uranium, mais les ingénieurs chinois prévoient de passer plus tard au thorium.

Les échéanciers sont serrés, du moins selon les normes de l'industrie nucléaire. L'Institut de Shanghai vise à démarrer une centrale à combustible solide à l'échelle commerciale d'ici 2030 et un réacteur de démonstration à combustible liquide de 100 mégawatts d'ici 2035. Une grande partie du travail actuel, m'a dit Chen, se concentre sur la résolution des problèmes de plomberie complexes associés à la sel fondu très corrosif. J'ai été frappé par la confiance et l'idéalisme des jeunes scientifiques travaillant à l'institut - un optimisme jamais vu dans les cercles nucléaires américains depuis l'époque de Weinberg.

Lors de mon dernier jour à Shanghai, Kun Chen et moi nous sommes promenés dans les jardins de l'institut. La neige avait pratiquement disparu, mais le vent glacial était toujours fort. Il m'a montré le dernier projet de construction du campus : un bâtiment de trois étages de la taille d'un entrepôt pour abriter le programme de sels fondus de thorium. Tous les laboratoires de chimie, tous les ateliers d'usinage, tous les ordinateurs, tous les bureaux et les boucles de test, les pompes et les prototypes seront hébergés ici lorsque le bâtiment ouvrira plus tard cette année. Ce n'était qu'un obus à l'époque, mais c'était un symbole de l'engagement de la Chine dans la prochaine ère nucléaire. Le rêve des scientifiques américains à Oak Ridge, il y a un demi-siècle, prend forme ici, à des milliers de kilomètres de là.

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