Un nouveau combustible dope un réacteur US

Un réacteur nucléaire américain a franchi une étape technologique majeure en adoptant un combustible plus avancé. Southern Nuclear a inséré quatre assemblages de test pilotes (Lead Test Assemblies, LTAs) dans le réacteur de l’unité 2 de Vogtle à Waynesboro, en Géorgie. Ces assemblages utilisent de l’uranium enrichi à plus de 5 % — une première pour les réacteurs commerciaux aux États-Unis.

En général, on perçoit souvent le combustible nucléaire comme un concept simple : le réacteur a besoin de combustible, on l’insère, et c’est tout. Mais le processus est bien plus complexe — surtout comparé à la combustion du charbon. Le combustible nucléaire doit non seulement être raffiné, mais aussi enrichi. En d’autres termes, il faut augmenter la proportion d’uranium 235 fissile (U-235) par rapport à l’uranium 238 (U-238), qui ne l’est pas.

Pourquoi enrichir l’uranium ?

L’uranium naturel ne contient qu’environ 0,7 % d’U-235, ce qui est trop faible pour la plupart des réacteurs modernes. Pour maintenir une réaction en chaîne, il faut augmenter la concentration à environ 3 % à 5 %, produisant ce qu’on appelle de l’uranium faiblement enrichi (LEU).

Les cours de physique au lycée enseignent ce type de connaissances. Cependant, tout le monde ne réalise pas que différents réacteurs nécessitent des niveaux d’enrichissement différents pour des résultats variés.

Par exemple, les sous-marins nucléaires fonctionnent avec de l’uranium hautement enrichi (HEU), dont la concentration varie de 20 % à 93 % d’U-235 — la limite supérieure étant classée comme de qualité militaire. Ce niveau d’enrichissement permet aux réacteurs de produire d’énormes quantités d’énergie. Par exemple, le porte-avions USS Enterprise était si puissant qu’on lui avait ordonné de ne jamais le faire fonctionner à plein régime.

Un autre avantage de l’enrichissement élevé est la longévité. Certains sous-marins n’ont jamais besoin de ravitaillement pendant toute leur durée de service. En fait, les sous-marins nucléaires modernes ne sont pas conçus pour le ravitaillement — cela nécessiterait de découper le vaisseau. Ce type de combustible permet également d’avoir des réacteurs compacts et efficaces, qui subissent moins de dommages thermiques et radiatifs par rapport aux réacteurs commerciaux.

Les réacteurs commerciaux bénéficient d’un gain de puissance

Southern Nuclear, en collaboration avec Westinghouse Electric Company, ne va pas aussi loin — mais elle fait un pas notable en avant. L’objectif est d’aider les conceptions de prochaine génération à faire progresser les réacteurs conventionnels en utilisant le HALEU (uranium faiblement enrichi à haut degré), dont l’enrichissement varie de 5 % à 20 %.

Jusqu’à récemment, les chercheurs n’avaient utilisé le HALEU que dans des réacteurs de recherche ou dans des conceptions avancées impliquant des technologies comme le sel fondu. Développé dans le cadre du programme U.S. Department of Energy’s Accident Tolerant Fuel, ce test commercial explore la possibilité d’utiliser du combustible enrichi dans des réacteurs conventionnels pour améliorer les performances, prolonger la durée de vie du combustible et réduire les déchets.

Cela ne se limite pas à l’ajout de plus d’U-235. Un enrichissement plus élevé nécessite une nouvelle formule de combustible. Les fabricants utilisent généralement des pellets en céramique d’uranium pour l’LEU, tandis qu’ils fabriquent des combustibles à haute teneur en enrichissement à partir d’alliages uranium-zirconium ou uranium-aluminium.

Ils incluent également des « poisons brûlables » — des éléments comme le bore-10 et le gadolinium-157 — qui absorbent les neutrons et régulent la réaction. Au début du cycle du combustible, ces poisons suppriment la réaction, et au fil du temps, ils se consument, permettant au combustible de maintenir une production stable.

ADOPT : Le combustible expérimental

Westinghouse a développé le combustible expérimental utilisé dans ce test et l’a nommé ADOPT. Cet oxyde d’uranium (UO₂) amélioré, dopé avec du chromia (Cr₂O₃) et de l’alumine (Al₂O₃), augmente la densité de l’uranium, améliore le transfert de chaleur et minimise la libération de gaz provenant de la fission, ce qui pourrait endommager le combustible. Il réduit également le risque de défaillance du revêtement métallique des barres de combustible.

Selon Westinghouse, une variante connue sous le nom de LEU+ ADOPT peut supporter des niveaux d’enrichissement allant jusqu’à 8 %, améliorant considérablement les performances des réacteurs conventionnels et réduisant la nécessité de ravitaillements fréquents. L’usine Springfields de Westinghouse au Royaume-Uni a fabriqué les pellets ADOPT en utilisant de la poudre d’uranium fournie par le laboratoire national d’Idaho. L’équipe a ensuite inséré les quatre assemblages de combustible résultants dans la centrale de Vogtle Unité 2, où ils seront maintenant étroitement surveillés à travers plusieurs cycles de réacteur.

“Cette réalisation représente un progrès majeur non seulement pour la résilience de la flotte de réacteurs des États-Unis, mais aussi pour l’avenir de l’énergie nucléaire”, a déclaré Pete Sena, président et directeur général de Southern Nuclear. “Notre objectif est de faire fonctionner nos réacteurs plus longtemps et plus efficacement. Le combustible hautement enrichi nous permet de mieux répondre aux besoins énergétiques croissants de la Géorgie.”

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Lisez l’article original sur :  New Atlas

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