Le réacteur de recherche HFIR américain accélère la validation de nouveaux combustibles nucléaires

Le réacteur à haut flux isotopique (HFIR) du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), situé au Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL), devient une installation clé du système américain de recherche-développement et de qualification des nouveaux combustibles nucléaires. Un article de recherche publié le 25 août indique que, dans un contexte de demande croissante pour la construction de centrales nucléaires commerciales et de réacteurs avancés aux États-Unis, les ressources en réacteurs de recherche disponibles pour les essais de nouveaux combustibles se raréfient, et que le HFIR pourrait contribuer à atténuer l'insuffisance des capacités d'essai correspondantes.

Crédit photo : Gunes Ozcan/Laboratoire national d'Oak Ridge, Département de l'énergie des États-Unis

Le HFIR est l'un des réacteurs de recherche stationnaires ayant le flux neutronique le plus élevé au monde, utilisé depuis longtemps pour les essais d'irradiation de combustibles et de matériaux nucléaires. L'article estime que ce réacteur peut fournir les données importantes nécessaires à la validation des nouveaux combustibles, soutenant ainsi la prolongation de la durée de vie des réacteurs, l'amélioration de l'efficacité opérationnelle et le déploiement des technologies de réacteurs avancés.

En ce qui concerne l'adaptabilité des essais, le HFIR peut couvrir diverses conditions de test et plateformes expérimentales. Le réacteur dispose de trois zones d'irradiation principales, permettant d'y placer de petites capsules d'irradiation de type « lapin ». Ces capsules, dont les cycles de conception, de fabrication et de déploiement sont relativement courts, peuvent être insérées dans le piège à flux au centre du réacteur, exposant ainsi les échantillons au niveau de flux neutronique le plus élevé. Les zones du réflecteur en béryllium démontable et du réflecteur en béryllium permanent du HFIR peuvent également être utilisées pour des expériences d'irradiation de plus grande envergure et de structure plus complexe, y compris des essais équipés d'instruments, de capteurs ou de dispositifs de blindage contre les neutrons thermiques, afin d'ajuster le spectre de flux neutronique.

Dans le domaine du développement des combustibles, le Laboratoire national d'Oak Ridge utilise depuis longtemps le HFIR pour mener des essais d'effets séparés et des essais intégraux sur combustibles. Ce réacteur a joué un rôle important dans le développement de l'architecture des combustibles des réacteurs à haute température refroidis au gaz, en particulier dans les recherches sur les particules de combustible tristructural-isotrope (TRISO). Récemment, les chercheurs ont également mené des essais basés sur le concept de mini-combustible (MiniFuel), irradiant notamment des combustibles tolérants aux accidents (ATF), des particules de combustible enrobées et des combustibles métalliques. Ces travaux complètent les nombreuses expériences d'irradiation de gaines de combustible menées dans le piège à flux du HFIR.

La modernisation du HFIR a encore renforcé ses capacités d'expérimentation instrumentée. Grâce au dispositif d'irradiation de matériaux (MIF), l'ORNL peut réguler la température à l'aide d'un mélange de gaz de balayage contrôlé et contrôler indépendamment plusieurs zones de température au cours d'une même expérience. Un système de surveillance automatisé permet de suivre en continu la température, la pression et la composition des gaz, et permet aux chercheurs de surveiller et d'ajuster les paramètres expérimentaux à distance en temps réel. Ces capacités ont déjà été utilisées pour les essais de libération des gaz de fission des combustibles TRISO pendant l'irradiation, démontrant que le HFIR peut prendre en charge simultanément plusieurs expériences complexes à haut flux.

L'article souligne également que les données sur les performances des combustibles obtenues grâce au HFIR peuvent fournir une base technique à la Commission de réglementation nucléaire des États-Unis (NRC) pour la qualification des combustibles nucléaires. Ces données concernent des indicateurs de performance clés tels que la libération des gaz de fission, l'évolution de la microstructure et les interactions combustible-gaine, et peuvent être utilisées pour valider les performances des combustibles, étayer les analyses de sûreté et servir de fondement aux rapports techniques liés à l'examen réglementaire des nouveaux combustibles.

Le site de l'ORNL où se trouve le HFIR dispose également d'un ensemble relativement complet d'installations d'inspection et d'analyse des combustibles nucléaires, notamment un laboratoire de développement des combustibles à particules enrobées, un laboratoire de développement et d'analyse des matériaux à faible activation, un laboratoire d'inspection des combustibles irradiés et une installation d'inspection et d'essai des matériaux irradiés. Grâce à ces installations et à l'expérience accumulée par l'ORNL dans le développement des combustibles, le HFIR a constitué une plateforme expérimentale intégrée couvrant la préparation, l'irradiation, l'inspection et l'analyse des combustibles.

L'étude estime qu'à mesure que les compagnies d'électricité poussent à la prolongation de la durée de vie des réacteurs existants et que les développeurs de réacteurs avancés accélèrent leur commercialisation, le HFIR continuera de jouer un rôle important dans l'acquisition rapide de données de haute qualité sur les combustibles et dans l'accompagnement des combustibles depuis le stade conceptuel jusqu'à l'étape de certification réglementaire. Cette recherche est soutenue par le programme de combustibles avancés de l'Office de l'énergie nucléaire du Département de l'énergie des États-Unis.