Surgénération
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La surgénération ou surrégénération est la capacité de certains réacteurs nucléaires à produire plus de matières fissiles qu'ils n'en consomment en transmutant des isotopes fertiles en isotopes fissiles.

Historique

Le concept de surgénérateur a été développé dès les débuts de l'énergie nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :). Aux USA, Enrico Fermi propose le concept de surgénérateur dès 1945, et en 1946 est construit le petit réacteur (Un réacteur peut désigner :) rapide américain Clementine (La clémentine est un agrume. C'est le fruit du clémentinier, un arbre de la famille des Rutacées.) (refroidi au mercure). En 1951 se produit la divergence du premier réacteur (US) refroidi au sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un métal mou et argenté, qui appartient aux métaux alcalins. On...), EBR1. En France, la construction de Rapsodie (20 MW thermiques) est lancée en 1959, et ce réacteur diverge en 1967.

En France, le parc (Un Parc est un terrain naturel enclos,[1] formé de bois ou de prairies, dans lequel ont été tracées des allées et chemins destinés à la chasse,...) de réacteurs à eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) pressurisée (REP) devait à l'origine permettre la constitution d'un stock de plutonium (Le plutonium est un métal lourd de symbole chimique Pu et de numéro atomique 94, très dense — approximativement 1,74 fois plus lourd que le...) suffisant pour démarrer un parc de réacteurs à neutrons rapides (RNR) surgénérateurs. La filière (Une filière est une suite de formalités, d'emplois à remplir avant d'arriver à un certain résultat: la filière administrative.) alors développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites normales à...) était celle des réacteurs à caloporteur sodium tels que les réacteurs expérimentaux Phénix et Rapsodie, puis Superphénix (Superphénix est le nom du réacteur nucléaire de l'ex-centrale nucléaire de Creys-Malville sur la commune de Creys-Mépieu, dans...).

Entre 1977 et 1982, le réacteur expérimental américain de faible puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) à spectre thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et...) de Shippingport a atteint un taux de surrégénération supérieur à 100% grâce à une optimisation poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air brassé par un moteur, dans le sens inverse de l'avancement.) de la modération et à un combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction chimique générant de la...) uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un élément naturel assez fréquent : plus abondant que...) 233 / thorium.

Le développement de la filière surrégénératrice a connu une pause avec le contre-choc pétrolier (Un pétrolier est un navire citerne servant à transporter le pétrole ainsi que ses dérivés (essence). Pour le transport d'autres liquides, les navires ont d'autres appellations : les...).

Mis en service en 1985, le prototype français Superphénix a été abandonné en 1997.

Les acteurs de l'industrie nucléaire (L’industrie nucléaire comprend l'ensemble des procédés de transformation et des acteurs économiques qui utilisent les propriétés du...) s'intéressent à ce concept pour répondre aux contraintes sur l'approvisionnement en uranium (accentuées par le développement des parcs nucléaires chinois et indiens) et aux objectifs de développement durable (Le développement durable (traduction de Sustainable development) est une nouvelle conception de l'intérêt public, appliquée à la croissance économique et reconsidérée à l'échelle...). Le forum international Génération IV lancé par les USA en l'an 2000 promeut largement la filière surrégénératrice avec 4 concepts sur 6 :

  • Réacteur rapide / thermique à caloporteur gaz ;
  • Réacteur rapide à caloporteur sodium ;
  • Réacteur rapide à caloporteur plomb-bismuth ;
  • Réacteur à sels fondus.

Principe de la surgénération (La surgénération ou surrégénération est la capacité de certains réacteurs nucléaires à produire plus de matières fissiles qu'ils n'en consomment en transmutant des isotopes fertiles en isotopes fissiles.)

Dans un réacteur à eau pressurisée classique, environ les deux tiers de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) de fission provient directement de la fission de l'uranium-235 (235U), tandis qu'un tiers provient de la fission du plutonium-239 (239Pu). Cet élément, qui n'est pas présent au départ dans le combustible nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) constitué d'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion oxyde O2-.) d'uranium (UOX), est créé au sein du cœur du réacteur lorsqu'un noyau d'238U fertile capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la gravisphère...) un neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les neutrons, avec les protons, sont les constituants du noyau de l'atome. Pour un atome,...). L'238U devient alors de l'239U, qui se transforme à son tour en 239Pu fissile par une double désintégration béta moins.

La production de noyaux fissiles à partir de noyaux fertiles est le principe de la surgénération. Un réacteur nucléaire (Un réacteur nucléaire est un dispositif dans lequel une réaction en chaîne est initiée, modérée et contrôlée par l'humain — ou par la nature, comme dans le seul cas connu du Réacteur...) est un surgénérateur lorsqu'il est capable de produire autant ou plus de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) fissiles qu'il n'en consomme. Autrement dit, il faut que le rapport, pour un intervalle de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) donné, du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de nucléides fissiles produits au nombre de nucléides fissiles détruits, soit supérieur à 1.

Pour ce faire, des couvertures fertiles sont introduites dans le réacteur afin de subir le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un...) neutronique. La difficulté de cette étape réside dans le fait que la production de neutrons par fission doit être suffisante à la fois pour maintenir la réaction en chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) et pour irradier les matériaux fertiles. Cette contrainte est surmontée en réduisant les captures stériles de neutrons, notamment celles par le modérateur et le caloporteur.

La solution technologique retenue dans le cas des réacteurs à neutrons rapides à caloporteur sodium (type Superphénix) consiste à supprimer le modérateur et donc utiliser un spectre rapide. L'utilisation de la transformation uranium-238/plutonium-239 est d'autant plus justifiée qu'il est plus efficace en spectre rapide.

Après irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou accidentellement) un organisme, une substance, d'un corps à un flux de rayonnements...) en réacteur, le retraitement du combustible et des couvertures fertiles permet de récupérer les matériaux fissiles produits en réacteur afin d'en faire du combustible neuf.

Un autre cycle envisageable est celui du thorium-232/ uranium-233 (notamment dans des réacteurs à sels fondus). La difficulté majeure provient du fait que l'uranium-233 n'existe pas à l'état naturel et qu'il faut donc le fabriquer auparavant, ce qui est réalisé depuis des années avec le plutonium. Ce cycle intéresse fortement l'Inde qui dispose de réserves importantes de thorium. De telles réserves existent aussi en grande abondance en Bretagne.

Types de surgénérateurs

Deux types de surgénérateurs ont été proposés :

  • le surgénérateur à neutrons rapides ou RNR.
  • le surgénérateur à neutrons thermiques (voir thermalisation des neutrons)

Le thorium 232, qui est un élément plus abondant que l'uranium 238, est aussi un isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le...) naturel fertile. Le thorium constituerait ainsi une importante réserve d'énergie nucléaire, s'il pouvait être valorisé dans une nouvelle filière de réacteurs nucléaires surgénérateurs.

Intérêt de la surgénération

En théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur l’observation ou...) au moins, la surgénération permettrait de multiplier considérablement ( un facteur 50 à 100 est souvent avancé) les ressources d'énergies liées à l'extraction et à l'utilisation de l'Uranium. Elle permet de transmuter le Thorium, élément plus abondant que l'Uranium dans la couche terrestre en uranium 233, et l'uranium 238, principal composant, à 99,28% du minerai d'uranium, et composant presque exclusif de l'uranium appauvri, en plutonium 239, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en produisant de l'énergie.

Les stocks mondiaux d'uranium appauvri sont actuellement estimés à environ 1 millions de tonnes.

Critiques

La surgénération est critiquée pour ses projets coûteux, risqués et non aboutis : le réacteur expérimental Phénix a été conçu à l'origine comme prototype de surgénérateur, puis il fut reclassé en laboratoire d'"incinération (L'incinération est une technique de transformation par l'action du feu. Incinérer signifie « réduire en cendres » ou, dit autrement, qu'on brûle...)" des actinides mineurs.

Le réacteur surgénérateur allemand de Kalkar a été arrêté en 1991 en raison des problèmes de sécurité qu'il générait et de son coût très élevé (3,5 milliards d'euros).

Le réacteur Superphénix a coûté pour sa construction, selon un rapport de la Cour des comptes datant de 1997, 60 milliards de francs soit 9,1 milliards d'euros. Le chiffre (Un chiffre est un symbole utilisé pour représenter les nombres.) d'affaire de la revente de l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne...), estimé à 1,4 milliards d'euros pour le fonctionnement de 1986 à 1996, aurait permis de ramener ce coût à 7,7 milliards d’euros (hors démantèlement).

Quelques projets de surgénérateurs

  • Phénix à Marcoule (Créé en 1956, le site nucléaire de Marcoule s'étend sur les communes de Chusclan et Codolet, proches de Bagnols-sur-Cèze, dans le Gard. Ce site industriel, situé...) (Gard)
  • Superphénix à Creys-Malville (Isère)
  • Surgénérateur de Kalkar en Basse-Rhénanie (Allemagne)
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