Machines à vapeur

Attention ! Question piège :

Qui a inventé la machine à vapeur ?

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La réponse ?

Tous ont apporté leur pierre à l’édifice. La nature du développement technologique est ainsi – chaque inventeur se tient sur les épaules des géants qui l’ont précédé.

L’histoire du développement humain est étroitement liée au coût de l’énergie. Les humains chasseurs-cueilleurs de la préhistoire ont besoin d’une grande superficie de terrain pour survivre. Une population plus importante devient possible avec l’agriculture, puis en remplaçant l’énergie mécanique des hommes par celle des animaux de trait. Mais à la fin du moyen âge, l’Europe est confrontée à la catastrophe écologique de la déforestation. On commence alors à exploiter l’énergie thermique de la houille, mais les réserves disponibles près de la surface sont rapidement épuisées.

Thomas Newcomen combine les idées de Denis Papin et Thomas Savery pour inventer en 1712 la première machine à vapeur utilisée commercialement, pour extraire l’eau des mines et permettre une extraction en profondeur.

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Avec cette machine thermique les humains sont enfin capables de transformer l’énergie thermique en énergie mécanique. C’est le début de la révolution industrielle.

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Le coût de l’énergie issue d’une machine thermique est composé :

  • du coût du capital de la machine
  • du coût du carburant pour la source de chaleur
  • des coûts de fonctionnement

La machine de Newcomen est capable de convertir en énergie mécanique seulement 1,3% de l’énergie dans le charbon qui l’alimente. Avec ce faible rendement, son coût du carburant est très important, mais il faut attendre 58 ans et l’invention de James Watt pour faire mieux.

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La genie de Watt est de réaliser que la machine de Newcomen gâche presque trois quarts de l’énergie de la vapeur en chauffant le piston et la chambre. Avec une chambre de condensation séparée, le rendement est plus que doublé. Le coût de la machine étant similaire, l’énergie produite coûte bien moins cher.

Watt s’associe alors avec Matthew Boulton. Les revenus de leur entreprise « Boulton & Watt » sont avant tout générés par les économies en charbon réalisées par les propriétaries des machines.

Pensez-vous que James Watt a inventé la machine à vapeur ?

Rendement des machines à vapeur

Source : « Dynamics of Technological Change« , L.A. Girifalco, p.484

L’histoire de la révolution industrielle est une course pour atteindre des rendements toujours plus importants des machines thermiques. C’est vrai que Watt y a largement contribué, mais cette démocratisation du coût de l’énergie qui rend possible la vie moderne est le travail de multiples inventeurs et ingénieurs.

La machine de Newcomen, utilisée uniquement dans les mines, a rapidement été remplacée par celle de Watt. Avec un coût de l’énergie toujours en baisse grâce aux améliorations en continu chez Boulton & Watt, leur machine remplace également l’énergie éolienne des moulins à vent et l’énergie hydraulique des roues à aubes, devenant de plus en plus utile.

Il est étonnant dans le graphique ci-dessus de remarquer qu’il faut 200 ans pour passer d’un rendement de 1,3% au rendement de 20% de la première turbine de Charles Parsons. On ne peut jamais sous-estimer la difficulté que présente le changement technologique – souvent les technologies nécessaires à la fabrication d’une machine rentable progressent moins vite que les théories et les idées des inventeurs.

Aujourd’hui les turbines dans les centrales électriques à cycle combiné gaz permettent d’atteindre des rendements supérieurs à 61%, mais les temps modernes ont vu un autre progrès important dans les machines à vapeur, du côté de la source de chaleur.

EPR Flamanville

Une grande machine à vapeur actuellement en construction à Flamanville

Les combustibles nucléaires à base d’uranium et thorium ont une densité énergétique environ 1 million de fois supérieure aux combustibles fossiles, mais les machines pour extraire cette énergie sont bien plus complexes que les chaudières des anciennes machines à vapeur. Le nucléaire a donc une logique économique différente, où le coût du carburant est minime et le capital investi dans la machine représente la plupart du coût de l’énergie.

En 2016 l’humanité est confrontée au réchauffement climatique. Malgré le progrès des énergies renouvelables et du nucléaire à bas carbone, les énergies fossiles progressent plus vite parce qu’elles sont moins chères. L’histoire de la machine à vapeur nous montre que la prospérité humaine progresse quand le coût de l’énergie diminue. Le défi majeur du 21ème siècle est d’atteindre une prospérité décente pour chaque humain et simultanément d’arrêter le réchauffement climatique et réduire l’impact des humains sur l’environnement. La conférence COP21 a échoué à mettre en place une taxe carbone parce qu’il est politiquement impossible de rendre l’énergie plus chère, même si elle est sale. L’énergie propre est un problème d’ingénierie – elle doit être moins chère que le charbon.

Le développement commercial de la fission nucléaire a atteint un niveau très similaire à celui de la machine à vapeur il y a 250 ans.

  • Après des premières expériences, un seul principe a été déployé commercialement
  • Cette technologie a atteint ses limites
  • La technologie est sur le marché depuis plus de 50 ans
  • L’utilisation du carburant est faible
  • Le coût de l’énergie produite n’est pas très competitif avec les alternatives sur le marché
  • Quelques centaines de machines ont été produites
  • Les machines ont une seule utilisation commerciale
  • La civilisation humaine est face à une crise environnementale
  • Le rythme de déploiement des machines est insuffisant pour résoudre cette crise environnementale.
  • Le potentiel théorique reste immense
  • Un système amélioré a été inventé, avec le potentiel de faire une rupture dans le coût de l’énergie
  • Ce nouveau système est en cours de développement
  • L’industrie établie a dénoncé la faisabilité du nouveau système [1]

Tout comme Boulton & Watt, les innovateurs actuels dans l’énergie nucléaire ont réalisé l’importance primordiale de réduire le coût de cette énergie. Mais au lieu de viser une meilleure utilisation du carburant, les principes économiques de l’énergie nucléaire nécessitent de réduire le coût de la machine.

Alors, pourquoi les systèmes d’énergie nucléaires actuels sont-ils chers?

Quand on fissionne le noyau d’un atome, deux nouveaux atomes sont générés qui s’appellent des produits de fission. Ils sont très radioactifs et hasardeux pour les humains. Ces atomes se désintègrent sur des périodes plus ou moins longues jusqu’au moment où ils deviennent des isotopes stables qui ne sont plus hasardeux.

Dans les réacteurs à eau pressurisée utilisés aujourd’hui, le combustible est un solide. Les produits de fission restent enfermés dans cette matière solide mais peuvent s’échapper si le combustible chauffe et fond. Comme certains produits sont des gaz, un confinement du réacteur est nécessaire pour éviter leur dispersion dans l’atmosphère en cas d’accident. Ce confinement est compliqué et cher parce que le système fonctionne avec une pression très élevée. Ces fragilités nécessitent l’utilisation de nombreux systèmes de sécurité compliqués et onéreux pour garantir un niveau de sûreté acceptable.

Le coût d’un système d’énergie nucléaire est une fonction du profil de sécurité intrinsèque du système de réacteur.

Dans un réacteur à sels fondus le combustible est un liquide. Le mélange de sels est choisi pour rester liquide sur une grande plage de températures, et pour pouvoir dissoudre la matière fissile et la plupart des produits de fission sous la forme de sels qui sont chimiquement très stables. La dilatation du liquide selon la température assure un fort coefficient de contre-réaction qui donne une stabilité dynamique de fonctionnement, à pression atmosphérique. Avec une sécurité intrinsèque assurée par cette conception chimique, la « fission liquide » permet d’envisager un système de réacteur plus simple et bien moins cher.

Une course internationale a commencé pour lancer cette technologie sur le marché. La magie de l’entrepreneuriat, quand un architecte technique avec une idée rencontre un investisseur avec des fonds, est à l’oeuvre pour concevoir puis construire ces machines, avec des millions de dollars engagés. La rupture technologique de la fission liquide n’est plus une question de « si ». C’est une question de « qui » et de « quand ».

Qui seront les Boulton & Watt du 21ème siècle ?

Partenariats

L’énergie nucléaire suivra la même courbe de développement que la machine à vapeur, mais avec un décalage d’environ 250 ans. Avec un coût compétitif et une capacité de production importante, elle contribuera activement à lutter contre le réchauffement climatique.

Pour les systèmes à fission liquide en développement aujourd’hui, les principaux éléments de création de valeur qui permettront de réduire le coût de l’énergie seront :

  • La sécurité intrinsèque d’un combustible liquide chimiquement stable
  • Une conception élégante et simplifiée, avec une architecture astucieuse du système complet
  • Une température de fonctionnement plus élevée
  • Une approche modulaire pour la fabrication des bâtiments et composants, l’assemblage et la mise en exploitation

Pour le futur, il reste un potentiel important de réduction de coût avec :

  • Des systèmes surgénérateurs
  • Des machines thermiques plus petites qui exploitent mieux les hautes températures de fonctionnement
  • Un cycle de combustible au thorium, ou qui incinère les déchets des réacteurs actuels
  • Des améliorations des matériaux pour prolonger la vie de certains composants
  • Un processus rationalisé pour l’attribution de licences d’exploitation

… sans mentionner les inventions à venir.

Et comme la machine à vapeur, les systèmes d’énergie nucléaire moins chers et plus compacts trouveront beaucoup plus d’utilisations :

  • Fourniture de chaleur pour les processus industriels
  • Production de carburants liquides de synthèse à partir d’eau et de dioxide de carbone
  • Dessalement de l’eau de mer
  • Alimentation de collectivités hors réseau
  • Propulsion marine

Ce futur est possible. Il est même probable car il est nécessaire. Avec l’esprit d’entreprenariat qui animait Boulton & Watt nous pouvons fabriquer des machines à vapeur modernes et moins chères qui seront un progrès pour l’humanité et pour la planète.

 

[1] Quand John Smeaton a vu la première machine de Watt, il a signalé à la société des ingénieurs que « ni les outils ni les ouvriers existent qui peuvent fabriquer une machine aussi complexe avec suffisamment de précision ».

 

UK flag Cet article est également disponible en anglais

 

MSFR – suivi de charge et sûreté

Le réacteur nucléaire rapide à sels fondus, ou MSFR (pour Molten Salt Fast Reactor) est étudié par le CNRS au Laboratoire de Physique Subatomique & Cosmologie (LPSC) à Grenoble.

Le combustible liquide de ce réacteur apporte une simplicité de conception et une sécurité intrinsèque, avec une grande flexibilité d’opération qui serait très complémentaire avec les énergies renouvelables, pour les problèmes de suivi de charge.

Suivi de charge

Noël 2015 – Renouvelables : une production intermittente allant du simple au triple. Cliquez sur l’image pour visiter le site du Réseau de Transport d’Électricité, avec des données en temps réel.

Dans le domaine de la production d’électricité, on appelle suivi de charge la pratique qui consiste à faire varier la puissance de fonctionnement d’une centrale de façon à l’adapter aux variations de la demande. Plus on produit de l’électricité avec des sources renouvelables non dispatchables comme le solaire et l’éolien, plus les autres sources dispatchables doivent s’adapter rapidement pour suivre la charge globale des consommateurs.

Pour les centrales nucléaires actuelles, un changement de puissance trop rapide peut endommager les crayons de combustible solide. En fonction du type de réacteur le changement de régime est limité à 1% – 5% de la puissance maximale par minute.

Un réacteur à sels fondus n’a pas les mêmes limitations – son combustible est un liquide. Pour illustrer la capacité de suivi de charge du réacteur MSFR, l’équipe CNRS à Grenoble a realisé des calculs de couplage neutronique et thermohydraulique sur des segments d’1/16ème du cœur, chacun avec leur unité de pompe / échangeur.

Calcul neutronique et thermohydraulique

En effet, la performance neutronique du réacteur est impactée par les changements thermo-hydrauliques, et sa performance thermo-hydraulique est impactée par les changements neutroniques. Les calculs et simulations font partie de la soutenance de thèse d’Axel LAUREAU, présentée le 16 octobre 2015.

Une variation de puissance de 33% en une minute a été simulée. On demande au réacteur de passer d’une puissance de 2GW à 3GW en 60 secondes – ce sont les lignes rouges dans l’image ci-dessous.

Suivi de charge

Dans chaque illustration colorée en bas de l’image, on observe deux fois 1/16ème du cœur : à gauche la distribution de puissance produite dans le combustible liquide, et à droite la distribution de température.

Grâce à la propriété de contre-réaction forte du combustible liquide, le réacteur se comporte très bien et en toute sécurité lors de cette transition. Une réduction de puissance rapide de 3GW à 2GW en 60 secondes est également illustrée, par les lignes bleues.

Cette méthode de calcul permet d’aller plus loin et de simuler des scénarios accidentels, pour évaluer la sûreté du réacteur. Dans les vidéos suivantes un incident de sur-refroidissement et un incident d’insertion de réactivité sont illustrés. ATTENTION ! Les échelles de temps sont logarithmiques !

Dans cette simulation le réacteur est initialement dans un état stable avec une faible puissance de 0,1GW (100MW). L’incident simulé est un sur-refroidissement par le circuit intermédiaire, où la température du sel dans ce circuit est instantanément modifiée pour représenter une puissance extraite de 3GW – un événement peu probable considéré comme un cas enveloppe.

La marge à la criticité prompte est de -125pcm (=0.125%), elle représente la contribution des neutrons retardés à la réaction en chaine, et correspond à la réserve de réactivité insérable avant que les neutrons prompts ne pilotent seuls et abruptement la réaction en chaine. Pour éviter cette situation de sur-criticité prompte, on doit rester en-dessous de la ligne de 0 pcm.

Le sel combustible dans l’échangeur est refroidi. Il est transporté par la pompe et vers 0,5 secondes ce sel refroidi commence à rentrer dans le cœur du réacteur, ce qui augmente la réactivité. Vers 1,0 secondes, la puissance commence à monter, ce qui fait monter la température du sel. La dilatation du liquide contribue à réduire la réactivité, et cette contre-réaction est bien supérieure à l’effet du sur-refroidissement : après 1,5 secondes la réactivité atteint un pic avant de redescendre vers son état initial de -125 pcm. Après 3 secondes, la puissance commence à se stabiliser sur la puissance extraite de 3GW.

Conclusion : très bonne capacité du réacteur à compenser un incident de sur-refroidissement de 0,1 à 3GW.

Dans cette simulation le réacteur est initialement dans un état stable de production d’énergie, à sa puissance nominale de 3GW. L’incident simulé est une insertion de réactivité de 1000 pcm (1 pcm = 1 pour cent mille soit 1% ici) en 1 seconde – un événement peu probable considéré comme un cas enveloppe.

La marge à la criticité prompte est de -125pcm (=0.125%), elle représente la contribution des neutrons retardés à la réaction en chaine, et correspond à la réserve de réactivité insérable avant que les neutrons prompts ne pilotent seuls et abruptement la réaction en chaine. Pour éviter cette situation de sur-criticité prompte, on doit rester en-dessous de la ligne de 0 pcm.

Quand on commence à insérer de la réactivité, la puissance et donc la température commencent à monter. Mais comme le combustible est un liquide il se dilate, ce qui contribue à réduire la réactivité. Cette contre-réaction permet de compenser parfaitement l’insertion de réactivité. Après 0,1 secondes la réactivité atteint un pic avant de redescendre vers son état initial de -125 pcm.

Conclusion : très bonne capacité du réacteur à compenser une insertion rapide de réactivité.

 

Le réveil de la Force aux États-Unis ?

Le monde de l’énergie nucléaire civile a toujours regardé vers les États-Unis, premier innovateur dans ce domaine, et la filière française des réacteurs à eau pressurisée en exploitation aujourd’hui est issue d’une technologie américaine.

Avec la généralisation mondiale de ce type de machine pour l’extraction de l’energie de la fission de l’uranium, il semblait que l’innovation dans l’énergie nucléaire avait stagné, freinée notamment par la Commission de réglementation nucléaire des États-Unis (NRC) qui est actuellement incapable de fournir une licence pour une technologie autre qu’un réacteur à eau légère.

Mais depuis plusieurs années il y a un regain d’intérêt outre-atlantique pour le potentiel offert par l’énergie nucléaire de production d’énormes quantités d’énergie sans émissions de CO2. Un rapport du cabinet third way a recensé 50 jeunes entreprises « start-up » qui travaillent sur des concepts prometteurs et variés.

Introducing_the_Advanced_Nuclear_Industry

Et il semblerait que l’administration américaine commence à reconnaître ce potentiel.

WhiteHouse

Le 6 novembre 2015, un premier sommet sur l’énergie nucléaire a eu lieu à la maison blanche, qui a annoncé des mesures pour garantir que l’énergie nucléaire reste une composante vibrante de la stratégie des États-Unis sur l’énergie propre :

GAIN

  • Etablissement d’un contact unique au Laboratoire national de l’Idaho pour accéder à l’expertise des différents services de la DOE
  • Publication d’une base de données avec un catalogue de l’infrastructure existante liée à l’énergie nucléaire
  • $2million sous la forme de bons pour les jeunes entreprises pour l’utilisation des services de la DOE
  • Aide pour la navigation du système régulatoire, avec la NRC.
  • Deuxième série d’ateliers au printemps 2016 sur les réacteurs « non-eau légère »
  • Extension du programme de garanties de prêts de $12,5 milliards, aux activités d’attribution de licence

Le sommet, dont les nouvelles ont été relayées par les sites de la SFEN et du MIT Tech Review, a regroupé des acteurs de l’industrie existante et ceux des nouvelles entreprises, comme Leslie Dewan de Transatomic Power qui a parlé du potentiel des réacteurs à sels fondus pour transformer les déchets nucléaires en électricité :

Le cabinet third way a également annoncé l’organisation le 27 janvier 2016 d’un sommet et vitrine sur le nucléaire avancé à Washington.

Avec l’arrivée de la conférence COP21 à Paris, on commence à entendre de plus en plus d’appels pour soutenir l’innovation dans l’énergie nucléaire. Vendredi, Peter Thiel, le financier derrière Facebook et PayPal, a publié dans le New York Times un article avec le titre « Nous avons besoin d’une nouvelle ère atomique ».

Peter Thiel

Peter Thiel a financé Facebook, PayPal, et maintenant Transatomic Power

Demain au Bourget, Bill Gates annoncera la création d’un fonds d’investissement de plusieurs milliards de dollars pour les energies propres.

Bill Gates

Il faut espérer qu’une bonne partie de cet argent sera dédiée au développement et à la commercialisation des réacteurs à sels fondus. Dans la lutte contre le réchauffement climatique, ce serait un veritable réveil de la Force.

Sauvons la planète !

Dans 5 jours, la Conférence des Nations unies sur les changements climatiques, ou COP21, ouvrira ses portes au Bourget. Alors que 2015 pourrait être l’année la plus chaude jamais enregistrée, la cible de la COP21 est de trouver une solution qui limite le réchauffement climatique à 2°C.

Avant même le début de la conférence, on annonce que cette cible ne sera pas atteinte. Si tous les engagements sont tenus, un réchauffement de 2,7°C est attendu. Nous laisserons à nos enfants une planète où des événements comme les canicules, sécheresses, tempêtes et inondations seront de plus en plus fréquents.

Alors comment expliquer aux enfants les enjeux du changement climatique ?

« Sauvons la planète ! » est une bande dessinée par Julie Wornan et Philippe Honnoré, née de la conviction que les enfants doivent parvenir à une bonne compréhension du changement climatique et des autres changements que subit notre planète, car c’est eux qui auront à en subir les conséquences et à chercher les solutions.

Les enfants Hugo et Élodie rencontrent Madéblanc, le fantôme d’une race de papillons disparus par cause de l’activité humaine. Le papillon magique les invite à faire un voyage autour de la Terre, assis sur ses ailes. Ils observent les résultats du changement climatique : canicules et sécheresses, tempêtes, inondations, la fonte des glaces et la montée de la mer. Ils apprennent l’impact des gaz à effet de serre, les ravages causés par les combustibles fossiles, la promesse des énergies décarbonées et les gestes qui peuvent réduire notre empreinte écologique.

Elodie

Un atome d’hydrogène explique à Élodie l’intérêt de l’énergie nucléaire

Si vous cherchez des idées de cadeaux de Noël pour des enfants qui s’intéressent à leur avenir climatique, Sauvons la planète !, éditée par Les Presses du Midi, est disponible sur amazon.fr, pour la modique somme de 17€.

Joyeux anniversaire, MSRE !

Cette semaine un atelier au Laboratoire national d’Oak Ridge aux États-Unis a marqué le plus grand et le plus important rassemblement à ce jour des personnes qui travaillent pour donner vie à la technologie des Réacteurs à Sels Fondus (RSF).

Photo : John Kutsch

Photo : John Kutsch

Les objectifs de l’atelier étaient :

  1. Commémorer et saluer le 50e anniversaire de l’année de mise en service du réacteur expérimental à sels fondus (en anglais : molten salt reactor experiment, MSRE), revenir sur les opérations réussies.
  2. Créer un forum pour le partage des informations et de l’état d’avancement de plusieurs initiatives et programmes de R&D liées aux RSF, ainsi que des collaborations internationales qui se sont développées récemment avec l’émergence du regain d’intérêt pour les RSF.

Le réacteur MSRE a fonctionné entre juin 1965 et décembre 1969. Avec un combustible liquide composé de sels de fluorure, il a démontré la faisabilité d’une technologie de fission nucléaire intrinsèquement sûre, qui aurait la possibilité d’être compétitive en coûts avec les combustibles fossiles. Certains membres de ce programme étaient présents à l’atelier, et applaudis pour leur énorme accomplissement.

Un site internet a été créé pour l’atelier, avec l’ordre du jour, les participants, les présentations, photos et vidéos. Un fil Twitter a été alimenté en direct par le compte @MSRAssociation, avec une excellente synthèse et des photos.

Présentations ORNL

Les jeunes entreprises à l’oeuvre sur le développement de cette technologie ont présenté l’avancement de leurs travaux, y compris Flibe Energy, Moltex Energy, Terrestrial Energy, et Thorcon Power.

Steve Kuczynski, le PDG de Southern Nuclear, une des plus grandes entreprises d’exploitation de centrales nucléaires aux Etats-Unis a dit qu’il croyait au profil de sécurité plus sûr et aux coûts de construction moins élevés des réacteurs à sels fondus.

Et il y a plusieurs nouveaux entrants sur la liste des entreprises qui travaillent sur la fission liquide. Jeff Latkowski, directeur de l’innovation chez Terrapower, l’entreprise financé par Bill Gates, a révélé qu’ils travaillent depuis 3 ans sur le développement d’un réacteur rapide à base de sels de chlorure. Terrapower a soumis une demande de financement au Département de l’Énergie des États-Unis pour avancer ce concept. Latkowski s’est dit soulagé de pouvoir enfin en parler en public. L’entreprise d’ingénierie canadienne Hatch a également présenté un nouveau concept sur lequel leurs équipes travaillent.

Il y avait meme une présentation par la commission de réglementation nucléaire des États-Unis, qui est critiquée par la communauté des réacteurs à sels fondus pour sa politique technique actuelle, qui permet uniquement l’exploitation des réacteurs à eau pressurisée sur le sol américain.

Mais c’est en Chine que l’avancement est le plus marqué.

Parmi les présentateurs était Hongjie Xu, directeur à l’Institut de Physique Appliquée de Shanghai (SINAP) du programme TMSR (Thorium Molten Salt Reactor). Xu a présenté une feuille de route qui montre que la Chine a le programme de R&D le plus avancé au monde pour cette technologie. Il a détaillé un plan en plusieurs étapes pour construire des réacteurs de démonstration dans les cinq prochaines années, avec un déploiement commercial autour de 2030. L’Institut prévoit de construire un prototype de réacteur de 10 mégawatts avec un combustible solide, ainsi qu’un réacteur à combustible liquide de 2 mégawatts qui permettra de démontrer le cycle du combustible thorium-uranium, d’ici 2020.

Hongjie Xu à Oak Ridge, le 15 octobre 2015

Hongjie Xu à Oak Ridge, le 15 octobre 2015.

Un site a été retenu pour ces réacteurs à DAFENG (大丰市), à 300km au nord de Shanghai, avec l’accord de la province de Jiangsu et un accord de principe de l’autorité de sécurité nucléaire chinois, le NNSA.

700 ingénieurs nucléaires travaillent sur les réacteurs à sels fondus au SINAP, a dit Xu, un nombre qui dépasse de loin les autres programmes de recherche de réacteurs avancés à travers le monde. La recherche est financée jusqu’en 2017, dit-il; au-delà de cette date l’Institut est à la recherche de nouveaux fonds du gouvernement central, du gouvernement de Shanghai, et du secteur privé. SINAP a signé récemment un accord avec le groupe Fangda, un conglomérat chinois de grande envergure qui fabrique des produits de carbone, fer et acier, et des produits chimiques, pour aider à développer les liquides de refroidissement à sels fondus pour les réacteurs.

« Je suis très confiant » que SINAP sera en mesure de porter son programme de réacteurs à sels fondus jusqu’à la commercialisation, dit Xu. « Parce que, en général, le gouvernement chinois a l’intention de soutenir le développement des futures technologies pour l’énergie nucléaire. Et le marché chinois est très grand pour ces technologies ».

Cet atelier a été jugé tellement utile par les participants qu’il pourrait devenir un événement annuel à Oak Ridge. Vivement les 51 ans du MSRE !

Voir aussi :

  • Photos historiques du réacteur expérimental à sels fondus
  • Brochure sur le réacteur experimental à sels fondus
  • Article ORNL sur l’atelier d’anniversaire de 50 ans du réacteur MSRE

Certains textes de cet article ont été traduits de celui de Richard Martin, publié sur le site internet du MIT Technology Review.

Un nouveau rapport sur la fission liquide

Au Royaume-Uni, la société Energy Process Developments a publié un rapport avec le titre « Faisabilité de développement d’un réacteur à sels fondus prototype au Royaume-Uni« .

EPD

EPD a été créée en 2014 suite à l’annonce d’un financement de £100 000 du Technology Strategy Board, organisme stratégique du gouvernement britannique en matière d’innovation. Leur étude a été suivie par les universités d’Oxford et Cambridge, avec comme objectifs de :

  • Faire un examen complet de la technologie des réacteurs à sels fondus (RSF)
  • Identifier les développements récents dans ce domaine
  • Comparer les technologies offertes par 6 entreprises
  • Proposer la technologie la plus adaptée pour le développement d’un prototype de réacteur au Royaume-Uni

Technologies étudiées

Le rapport, publié en août 2015, est un document de 75 pages en anglais, disponible en format .pdf par simple clic sur ce lien. Chaque chapitre se termine par quelques lignes de synthèse, traduites en français ci-dessous :

Résumé

Les auteurs de ce rapport recommandent à tous les intéressés qu’ils devraient faire d’urgence les investissements nécessaires, ainsi qu’un engagement pour procéder avec un programme de réacteur à sels fondus, y compris un prototype de démonstration tel qu’identifié par cette étude.

1. Opportunités & aperçu de l’industrie

  • Le Royaume-Uni a un budget de R&D nucléaire inexistant par rapport aux autres grands pays.
  • Il existe une opportunité pour le Royaume-Uni d’avoir une part de £240 milliards dans un marché international du nucléaire de £1000 milliards d’ici 2030. Des RSF à combustible liquide peuvent être développés au Royaume-Uni pour alimenter ce marché.
  • Les RSF peuvent avoir le potentiel d’être plus économiques et sont plus sûrs que les technologies d’aujourd’hui. Les RSF peuvent traiter les stocks de déchets et de plutonium.
  • La prospérité, la consommation d’énergie, le gaz à effet de serre et la croissance démographique sont apparemment tous liés. Avec une source d’énergie propre et pas chère, ils peuvent tous être stabilisés.
  • Une action immédiate du gouvernement britannique peut lancer la technologie des RSF.

2. Concepts de RSF évalués par cette étude

  • La recherche et le développement mondiaux des RSF sont actuellement dirigés par la Chine. Ailleurs, de petites start-ups avec des nouveaux concepts innovateurs sont prometteuses.
  • Six propositions sont examinées pour leur aptitude en tant que prototype de démonstration au Royaume-Uni. Toutes sont considérées comme des propositions valables à ce stade de la conception.
  • Le réacteur à sels stables de Moltex Energy apporte simplicité et avantages pour le Royaume-Uni en particulier.

3. Contexte historique

  • Le réacteur à eau pressurisée a été développé pour le programme de la défense et a été repris pour la production d’électricité.
  • Le RSF en tant que concept a été démontré avec succès dans les années 1960. Il ne répondait pas aux exigences de la défense et a été arrêté.

4. Une introduction à la technologie des RSF à combustible liquide

  • L’énergie nucléaire a une densité énergétique beaucoup plus élevée que d’autres sources.
  • Le combustible des RSF est dissous dans un sel liquide, ce qui apporte de nombreux avantages.
  • Ils opèrent dans un spectre rapide ou thermique, avec un grand choix de cycles de combustible.

5. Avantages des RSF

  • Les RSF peuvent être conçus avec une sécurité passive complète et aucune possibilité pour une dispersion généralisée de substances radioactives.
  • Ils ont un taux élevé d’utilisation de combustible et produisent peu de déchets à vie longue.
  • Les coûts d’une installation peuvent être comparables aux combustibles fossiles.
  • Les RSF offrent plus d’avantages que les autres technologies existantes ou avancées.

6. Défis des RSF

  • La technologie des RSF n’a jamais été disponible dans le commerce.
  • L’approbation réglementaire sera un processus long et coûteux.
  • L’expérimentation sera nécessaire pour certains nouveaux concepts et applications de matériaux.
  • L’obtention de financement est difficile en raison du long engagement requis et le risque élevé de mettre en œuvre une technologie de rupture dans un environnement très réglementé.

7. Réglementation nucléaire

  • Aucune expérience n’existe pour l’homologation d’un prototype de réacteur ou d’un nouveau site.
  • La charge réglementaire pour une technologie innovante est de la responsabilité du vendeur.
  • La véritable innovation est sévèrement limitée par le processus actuel.

8. Sélection du site

  • Le Royaume-Uni n’a pas d’installations pour la démonstration de nouvelles technologies de réacteurs.
  • Le processus de développement et le calendrier seront grandement simplifiés si un site avec une licence existante peut être utilisé.
  • Des RSF qui brûlent du plutonium pourraient être bénéfiques pour l’Autorité Britannique de Démantèlement Nucléaire (NDA) qui possède certains sites appropriés.

Bien que des avantages sont trouvés dans l’ensemble des modèles de réacteurs étudiés, le rapport conclut que le Réacteur à Sels Stables, la conception proposée par Moltex Energy, est la meilleure option à poursuivre. Le Réacteur à Sels Stables est un réacteur à spectre rapide de type piscine, mais sa caractéristique unique par rapport aux autres conceptions est que le combustible est statique. Pour la plupart des réacteurs à sels fondus, le liquide hautement radioactif est pompé activement à travers un échangeur de chaleur tandis que dans la conception de Moltex Energy les sels fondus radioactifs (composés de combustible nucléaire usé mélangé avec du chlorure de sodium pour réduire son point de fusion) sont contenus dans des tubes métalliques, semblables aux crayons de combustible dans les réacteurs traditionnels. Le flux de sels fondus dans les tubes est créé entièrement par convection naturelle, sans pièces mobiles, éliminant la possibilité de défaillance des pompes. Le bassin de liquide de refroidissement contient un autre type de sels fondus ce qui donne au réacteur une sécurité intrinsèque car toute fuite de combustible radioactif est mélangée et diluée dans ce grand bain.

Réacteur à Sels Stables Moltex
Contrairement à tous les autres modèles de réacteurs à sels fondus, cette conception n’est pas un dérivé du réacteur expérimental à sels fondus développé au laboratoire national d’Oak Ridge (où les RSF ont été initialement développés dans les années 1960), mais plutôt une vraie conception du 21e siècle. Avec toute une série d’autres avantages, le Réacteur à Sels Stables est conçu de telle sorte que tous les composants peuvent être construits dans des segments et assemblés sur le site d’une centrale. Cette conception modulaire est beaucoup plus simple et moins chère que les réacteurs d’aujourd’hui, ce qui permet d’envisager un déploiement d’autant plus avantageux.

Le rapport conclut que ce réacteur conçu au Royaume-Uni, « en raison de sa relative simplicité et des obstacles techniques relativement faibles et peu nombreux, est la configuration la plus appropriée pour un développement immédiat à l’échelle prototype au Royaume-Uni ».

Une partie du texte de cet article PROVIENT de celui publié sur le site du Alvin Weinberg Foundation par Suzanna Hinson.

L’opportunité du siècle ?

 « Je détermine ce dont le monde a besoin, puis je cherche à l’inventer. »

– Thomas Edison

En 2015 le monde a besoin, plus que jamais, d’une source d’énergie qui est fiable, sûre, durable, propre et bon marché.

« Notre avenir énergétique est défini par une montagne. Cette montagne se crée et se construit devant nous, et va être construite sur les deux prochaines décennies, pour la prochaine génération.

[Cet avenir] est basé sur une demande croissante d’énergie primaire dans les économies non-OCDE. Cette demande d’énergie est construite par six milliards de personnes, qui désirent le mode de vie de la classe moyenne que nous avons aujourd’hui en Occident.

Si l’économie mondiale va fournir cette énergie pour répondre à ce désir, il faut énormément d’énergie propre. »

– Simon Irish, PDG de Terrestrial Energy

Terrestrial Energy est une entreprise privée canadienne avec plus de 30 personnes, qui cherche activement à inventer ce dont le monde a besoin, à travers la technologie des réacteurs nucléaires à sels fondus. Dans une présentation en avril 2015 son PDG Simon Irish a expliqué, du point de vue d’un financier, l’énorme opportunité économique offerte par cette technologie.

(vidéo sous-titrée en français, transcription ici)

« La fourniture d’énergie mondiale est probablement 5% du produit mondial brut, $3,500,000,000,000 par an.

La valeur des fonds propres des compagnies d’énergie d’aujourd’hui est de $5,000,000,000,000, qui est 7,6% de la capitalisation boursière du monde. La valeur d’entreprise de ces sociétés est encore plus. Il y a de gros enjeux au cours des deux prochaines décennies dans cette zone. »

« Si on pouvait conquérir [le marché de remplacement des centrales à charbon] d’une manière incontestée avec un petit réacteur modulaire, compétitif par rapport aux alternatives aux combustibles fossiles, ce serait une opportunité très, très importante. »

Le produit en développement chez Terrestrial Energy est nommé « Réacteur Intégral à Sels Fondus«  (en anglais: Integral Molten Salt Reactor, IMSR). C’est un petit réacteur modulaire qui a l’objectif d’être le plus simple et le moins cher possible, pour démocratiser l’énergie auprès d’une population la plus large possible, et ainsi lutter contre le réchauffement climatique et accroître la prospérité de l’humanité.

Illustration IMSR

L’opportunité économique que représente cette technologie est décrite en plus de détail sur le site internet de Terrestrial Energy. En mai 2015 il était indiqué sur ce site que « L’IMSR peut produire de l’énergie à un coût moyen actualisé de $0,04 / kWh », une phrase retirée depuis mais qui représente certainement l’ambition de l’entreprise.

Imaginons pour un instant un monde où l’électricité propre coûte $0,04 / kWh…

L’IMSR se décline en 3 tailles, pour conquérir différents segments du marché de l’énergie.

IMSR 80 300 600

  • L’IMSR80 génère 80 mégawatts de chaleur, ou 33 mégawatts d’électricité
  • L’IMSR300 génère 300 mégawatts de chaleur, ou 141 mégawatts d’électricité
  • L’IMSR600 génère 600 mégawatts de chaleur, ou 291 mégawatts d’électricité

La taille relativement petite de ces réacteurs permettrait de les construire en usine et les livrer préfabriqués sur le site d’une centrale nucléaire, en contraste avec les grands réacteurs proposés par l’industrie nucléaire traditionnelle, tel que l’EPR d’Areva (maintenant EDF…) avec ses 4500 mégawatts de chaleur et 1650 mégawatts électriques.

Mais les économies d’échelle offertes par une production en série des réacteurs sont éclipsées par l’opportunité présentée par le changement d’un combustible nucléaire solide à un combustible LIQUIDE. Dissoudre l’uranium ou le thorium dans un mélange de sels fondus permet de concevoir un système d’énergie qui fonctionne à pression atmosphérique, avec des substances qui sont chimiquement très stables. En effet, la chimie des sels fondus offre une première barrière de confinement efficace pour les produits de la réaction de fission. Et cette sécurité intrinsèque permet de concevoir un système bien moins cher.

Le coût de l’électricité nucléaire est largement dominé par le capital nécessaire à la construction d’une centrale. A l’opposé d’une centrale thermique, le combustible nucléaire représente une petite fraction du coût global de l’énergie produite. Et il y a une relation directe entre l’investissement de capital nécessaire pour construire un système d’énergie nucléaire et le profil de sécurité intrinsèque du système de réacteur.

CAPEX = ƒ (profil de sécurité intrinsèque du système de réacteur)

Un aspect intéressant de Terrestrial est une volonté de communiquer assez ouvertement sur leur technologie. L’entreprise utilise les médias sociaux (Facebook, Twitter, LinkedIn) et a écrit un article Wikipedia sur l’IMSR. Cet article est désormais traduit en français, sur Wikipédia.fr

Wiki IMSR

David Leblanc, président et directeur technique de Terrestrial Energy a parlé du développement de l’IMSR à la conférence TEAC7 sur l’énergie du thorium, en juin 2015 (voir cette video). Il présentera un nouvel aperçu au symposium de la World Nuclear Association, le 10 septembre 2015 à Londres.

En tant qu’entreprise privée, Terrestrial Energy ne communique pas sur le niveau d’investissement qu’ils ont obtenu. Mais regardons une sélection des personnes qu’ils ont nommées au sein de leur conseil d’administration, équipe de management et conseil consultatif international (cliquez sur les images pour plus d’information) :

Bodner Edwards Engel Hill Johnson MacDiarmid Merrifield Reinsch Rickman Whitman

Certaines de ces personnes ont occupé des postes aux plus haut niveaux des administrations, institutions et entreprises de l’Amérique du nord. Clairement, ils sont convaincus de la nécessité de poursuivre cette technologie activement. Les réacteurs à sels fondus de Terrestrial Energy et d’autres jeunes entreprises pourraient bien représenter l’opportunité du 21ème siècle.