Des laboratoires américains et des entreprises collaborent pour faire progresser la recherche sur le combustible au thorium TRISO

Le Laboratoire national Lawrence Livermore (Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL) collabore avec la start-up de micro-réacteurs nucléaires AMPERA pour faire progresser le développement de combustibles pour réacteurs de nouvelle génération grâce à une nouvelle technologie de fabrication de particules métalliques. Cette collaboration se concentre sur le combustible à particules enrobées tristructuralement isotrope (TRISO), visant à fournir des solutions de combustible plus résistantes pour les réacteurs avancés fonctionnant à des températures plus élevées et avec des cycles de service plus longs.

Les petits réacteurs à fission nucléaire modulaires sont considérés comme une option énergétique distribuée pouvant être déployée dans les régions éloignées, les installations militaires et les sites industriels. Par rapport aux réacteurs à eau légère traditionnels, certains réacteurs avancés imposent des exigences plus élevées en matière de stabilité du combustible dans des environnements de températures élevées, d'irradiation neutronique, de corrosion et d'oxydation, ce qui explique l'intérêt particulier porté au combustible TRISO.

Les particules de combustible TRISO ont généralement une taille proche de celle d'une graine de pavot ; chaque particule contient un noyau de combustible en son centre, enveloppé de couches de matériaux à base de carbone et de céramique. Cette structure agit comme un système d'étanchéité miniature qui aide à retenir les produits de fission radioactifs, améliorant ainsi les marges de sécurité et la stabilité structurelle du combustible dans des conditions de fonctionnement sévères.

Ce projet de collaboration, nommé « Projet d'injection de gouttelettes monomodes au thorium pour réacteurs (THUNDER) », vise à produire des particules précurseurs à base de thorium pouvant être transformées en combustible TRISO. Le thorium, en tant que matériau combustible nucléaire, présente des caractéristiques telles qu'une relative abondance des réserves et une durée plus courte des flux de déchets associés. Le thorium-232 ne peut pas entretenir une réaction en chaîne de fission par lui-même, mais il peut être converti en uranium-233 fissile après absorption d'un neutron. Par conséquent, les systèmes de combustible au thorium nécessitent généralement un matériau fissile comme « germe » pour initier et entretenir la réaction.

Le projet THUNDER est issu du projet de recherche en laboratoire précédent du LLNL, « PowderJet ». Cette technologie utilise une méthode d'injection de métal liquide par gouttelettes à la demande pour fabriquer des particules métalliques à haute sphéricité et à taille contrôlable. Pour le combustible TRISO, la taille, la forme et la composition du noyau de combustible central doivent être strictement contrôlées, et cette technologie pourrait permettre d'atteindre une uniformité difficile à obtenir avec les méthodes traditionnelles de préparation de poudres dans une production à grande échelle.

Viktor Sukhotskiy, ingénieur de recherche au LLNL et chercheur principal du projet, a déclaré que cette collaboration illustre la valeur de la combinaison des capacités de recherche des laboratoires nationaux avec les besoins techniques spécifiques des entreprises. Brian Matthews, fondateur et directeur général d'AMPERA, a indiqué que cette collaboration contribue à accélérer la construction de la base technologique nécessaire à une chaîne d'approvisionnement en combustible verticalement intégrée, à réduire les coûts et les risques liés à la chaîne d'approvisionnement, et à soutenir le déploiement de son système nucléaire sous-critique compact.

Selon le calendrier du projet, les travaux des deux parties couvriront la modélisation computationnelle, les tests de compatibilité des matériaux et des buses, le développement de procédés à haute température, la caractérisation des particules, le traitement radioactif sécurisé, ainsi que le transfert de procédés extensibles et de règles de conception pour une future commercialisation.