Préparation du combustible à sels de chlorure régénérés pour entrer dans le réacteur de recherche : le combustible irradié peut-il devenir une ressource, et quelles données faut-il d'abord obtenir ?

Fabriquer un autre combustible à partir de matières nucléaires

Le Laboratoire national de l'Idaho (Idaho National Laboratory, INL) a annoncé le 2 novembre qu'il pilotera le projet IMPACT, visant à fabriquer et tester un combustible à sels de chlorure contenant des éléments transuraniens régénérés. Le projet bénéficie d'un soutien de 7 millions de dollars de l'Agence pour les projets de recherche avancée du département de l'Énergie des États-Unis, secteur Énergie (ARPA-E), et prévoit d'utiliser les matières nucléaires déjà disponibles au laboratoire pour réaliser la fabrication, les tests de propriétés, ainsi que l'irradiation dans le Réacteur d'essai avancé (Advanced Test Reactor, ATR).

Cette recherche pousse « l'amélioration du taux d'utilisation du combustible irradié » vers une question concrète : après que les matières récupérées forment un nouveau combustible, comment évoluent-elles réellement dans l'environnement du réacteur. Moltex participe aux travaux liés à la modélisation et à la conception ; le coût total du projet s'élève à 8,8 millions de dollars, incluant des contributions en nature et des investissements directs des entreprises. Le financement soutient la recherche et la validation, et ne permet pas de conclure qu'une ligne de production de combustible commercial est déjà établie.

Le combustible irradié déchargé des réacteurs à eau légère contient encore des matières nucléaires valorisables, ainsi que des produits de fission et d'autres radionucléides nécessitant une gestion. La récupération d'une partie de ces matières pour de nouveaux types de réacteurs implique la séparation, la conversion, la fabrication du combustible, l'utilisation et le traitement ultérieur des déchets. Le potentiel de valorisation des ressources doit être vérifié tout au long de cette chaîne ; savoir que les matières contiennent encore de l'énergie ne suffit pas à démontrer que le recyclage présente des avantages techniques et économiques.

Les combustibles liquides nécessitent une autre approche pour vérifier leurs performances

L'évaluation des combustibles solides traditionnels s'articule souvent autour des pastilles, des gaines et des assemblages, tandis que les combustibles à sels liquides relient plus étroitement la chimie du combustible, les propriétés thermophysiques et la structure de confinement. Les sels contenant des matières fissiles doivent rester dans un état approprié dans des plages de température et de composition définies, et l'évolution de leurs propriétés affecte le transfert de chaleur, la compatibilité des matériaux et la gestion de l'exploitation. Par conséquent, l'objet de la validation du combustible à sels fondus (Molten Salt Fuel) comprend à la fois les matières fissiles et l'ensemble du système chimique.

Les paramètres tels que la densité, la viscosité, la capacité thermique et les conditions de changement de phase entrent dans les analyses thermohydrauliques et de sûreté. Le fait qu'un sel présente des propriétés appropriées à l'état initial ne signifie pas qu'il en sera de même après irradiation et accumulation de produits de fission. La recherche doit identifier les mécanismes d'évolution des propriétés, déterminer quelles évolutions peuvent être surveillées et maîtrisées, et lesquelles pourraient limiter la durée de vie du combustible ou les conditions d'utilisation.

Les matériaux contenant le sel doivent également être examinés conjointement. La température, les impuretés et l'état chimique peuvent modifier le comportement à la corrosion, et des contaminations telles que l'humidité ou l'oxygène peuvent affecter la qualité du sel. Les discussions techniques pertinentes de l'Agence internationale de l'énergie atomique (International Atomic Energy Agency, AIEA) classent la purification, le conditionnement et la fabrication à grande échelle parmi les problèmes à résoudre, ce qui montre que l'approvisionnement en sels combustibles va bien au-delà du simple mélange d'ingrédients selon une formule.

Ce que les essais en réacteur de recherche peuvent réduire comme incertitudes

L'ATR fournit un environnement neutronique permettant aux chercheurs d'observer les changements des matériaux et du combustible avant et après irradiation. Une conception d'essai appropriée doit préciser la température, les conditions d'irradiation et les objectifs de mesure, et relier les résultats d'essai aux conditions de fonctionnement du réacteur envisagé. Un réacteur de recherche peut produire des données importantes, mais un seul essai ne peut reproduire complètement tous les gradients de température, conditions d'écoulement et historiques d'exploitation d'une future centrale.

Par conséquent, les résultats d'irradiation doivent être combinés avec des modèles, d'autres essais et des examens ultérieurs. Si le nouveau combustible conserve des propriétés acceptables dans les conditions cibles, cela peut étayer l'analyse de la phase suivante ; si des réactions inattendues apparaissent, cela peut également exiger un ajustement de la composition, des matériaux ou du domaine d'exploitation. La valeur de l'essai réside dans la fourniture de limites vérifiables, et non simplement dans l'obtention d'une conclusion vague de « réussite ».

Un autre malentendu fréquent concernant la valorisation du combustible irradié est le suivant : consommer une partie des nucléides à vie longue ne signifie pas que tous les déchets radioactifs disparaissent. Le processus de récupération génère des matières nécessitant une gestion, l'exploitation du réacteur continue de former des produits de fission, et les composants non récupérés ainsi que les déchets de démantèlement nécessitent encore un stockage définitif. Pour évaluer l'effet de réduction des déchets, il convient de préciser l'objet de comparaison, le taux de récupération, le nombre de cycles et la forme des déchets, afin d'éviter de considérer à tort une variation d'un seul nucléide comme une réduction équivalente de la charge globale de gestion des déchets.

Les bénéfices du cycle du combustible doivent couvrir l'ensemble de la chaîne de procédés

Les combustibles régénérés peuvent accroître la valorisation énergétique des matières nucléaires existantes, mais les projets commerciaux doivent supporter des coûts supplémentaires d'installations et d'opérations. Les opérations à distance, le blindage, la sûreté critique, la comptabilité des matières et l'assurance qualité peuvent tous influencer les investissements de construction et les coûts d'exploitation. Un combustible adapté à un type de réacteur donné ne peut pas nécessairement être fourni de manière continue avec une composition suffisamment stable et à une échelle suffisante ; les variations des matières premières doivent être traitées lors de la fabrication et de la réception.

La comparaison économique doit placer le recyclage et l'élimination directe dans un cadre cohérent, en tenant compte à la fois de la valeur de substitution du nouveau combustible et des coûts de gestion en aval. On ne peut pas diviser une subvention de recherche par la quantité de combustible prévue pour obtenir un prix unitaire de production commerciale, ni juger de toute la valeur du cycle fermé uniquement à partir du prix de l'uranium naturel. La sécurité d'approvisionnement, les stocks de matières et la gestion à long terme des déchets peuvent entrer dans la décision, mais ces valeurs nécessitent des hypothèses explicites.

Le résultat le plus significatif d'IMPACT sera la constitution d'une chaîne de données complète entre les enregistrements de fabrication du combustible, les conditions d'irradiation et les analyses post-essai. Ces données aideront à déterminer quelles hypothèses de conception sont confirmées et quels procédés nécessitent encore des ajustements. Transformer le potentiel des ressources contenues dans le combustible irradié en combustible utilisable exige de démontrer continuellement que la composition est maîtrisable, les performances prévisibles et les coûts supportables ; les données des réacteurs de recherche en constituent une base importante, mais des travaux d'ingénierie ultérieurs restent nécessaires avant d'atteindre une fourniture commerciale.