Des chercheurs de l 'Université de Liverpool et de Copenhagen Atomics affirment que la pureté du sel est le facteur critique pour prévenir la corrosion de l'acier inoxydable dans les réacteurs à sels fondus. Entre-temps, les essais d 'irradiation des matériaux destinés à ces réacteurs ont commencé au réacteur à haut flux des Pays-Bas.

Le sel liquide chauffé est versé dans un petit récipient ( Image : Copenhagen Atomics)

Les réacteurs à sels fondus ( MSR) utilisent des sels de fluorure fondus comme réfrigérant primaire, à basse pression. Ils peuvent fonctionner avec des spectres épithermiques ou de neutrons rapides et avec une variété de combustibles. Une grande partie de l 'intérêt que suscite aujourd'hui la relance du concept de MSR est liée à l'utilisation du thorium ( pour produire de l'uranium 233 fissile), où une source initiale de matière fissile telle que le plutonium 239 doit être fournie. Il existe un certain nombre de concepts de conception MSR différents, et un certain nombre de défis intéressants dans la commercialisation de nombreux, en particulier avec le thorium.

L 'étude de l'Université de Liverpool au Royaume-Uni et de Copenhagen Atomics au Danemark - publiée dans le Journal of Nuclear Materials - montre qu'une pureté de sel élevée empêche la corrosion de l'acier inoxydable 316L - un matériau largement utilisé et rentable - dans les MSR. Cette découverte ouvre la voie à des systèmes d 'énergie nucléaire de prochaine génération plus abordables, durables et évolutifs. L 'environnement dur et à haute température des sels de fluorure fondus a historiquement causé une corrosion rapide des matériaux structuraux, limitant leur viabilité commerciale. Les solutions précédentes reposaient sur des alliages coûteux à haute teneur en nickel, ce qui entraînait une hausse des coûts et compliquait la fabrication.

Les chercheurs ont effectué des essais de corrosion à long terme sur l 'acier inoxydable 316L dans des sels fondus purifiés et non traités ( FLiNaK et LiThF) à des températures allant jusqu'à 700 ° C. Les résultats ont indiqué que les sels non traités - contenant de l'humidité et des oxydes - causaient une corrosion sévère, avec perte de métal, dégradation de surface et affaiblissement structurel après seulement 1 000 heures. Cependant, les sels purifiés, débarrassés de leurs impuretés, ont entraîné une corrosion négligeable même après 3 000 heures. L 'acier a conservé son intégrité, seule une mince couche protectrice de carbure de chrome se formant à sa surface.

« La pureté du sel est absolument essentielle au contrôle de la corrosion dans les réacteurs à sels fondus », a déclaré Maulik Patel, professeur de matières nucléaires à l 'Université de Liverpool, coauteur de l'étude. « Ces résultats confirment ce que des décennies de recherche, y compris le travail à Oak Ridge pendant l 'ère MSRE, ont montré : si vous éliminez les impuretés réactives, les sels fondus peuvent devenir un environnement stable et gérable pour les matériaux des réacteurs. C 'est un grand pas en avant pour le terrain. »

Thomas Steenberg, co-fondateur et vice-président des matériaux critiques chez Copenhagen Atomics, a ajouté : « Espérons que cette étude permettra une fois pour toutes de faire taire le « mythe de la corrosion » selon lequel MSR est irréalisable en raison de la corrosion. L 'utilisation de contrôles techniques est hautement préférable à l'utilisation d'alliages exotiques d'unobtane. "

"Bien que cette étude établisse une base solide, d 'autres recherches sont nécessaires pour évaluer l'impact du rayonnement, des produits de fission et des conditions dynamiques du réacteur sur la performance à long terme des matériaux", a noté Copenhagen Atomics. "L 'optimisation des méthodes de purification du sel sera également essentielle pour éliminer même les traces d'impuretés."

Copenhagen Atomics développe un réacteur à sels fondus conteneurisé. Modéré avec de l 'eau lourde non pressurisée, le réacteur consomme des déchets nucléaires tout en produisant un nouveau combustible à partir de thorium. Assez petit pour permettre une fabrication en masse et une production à la chaîne, le réacteur a une puissance de 100 MWt.

Essais d 'irradiation

Entre-temps, NRG-Pallas a annoncé que la recherche sur les matériaux pour les MSR a commencé au réacteur à haut flux ( HFR) à Petten, aux Pays-Bas. Cette recherche sur l 'irradiation - menée dans le cadre du programme de recherche NRG-Pallas pour le compte du ministère des Affaires économiques et de la Politique climatique - examinera l'interaction entre le sel et les matériaux de construction d'un futur MSR.

(Image : NRG-Pallas)

Depuis 2015, NRG-Pallas développe des capacités pour qualifier les combustibles à sels fondus et les matériaux de construction MSR ( alliages, graphite, etc.) pour une utilisation dans un champ de neutrons à haute température.

Le HFR est l 'un des rares réacteurs d'essai de matériaux au monde à pouvoir étudier les combustibles nucléaires et provoquer des dommages importants dus aux neutrons dans les matériaux de construction. Le réacteur est utilisé à la fois pour la production d 'isotopes médicaux et pour la recherche dans le domaine de l'énergie nucléaire. Il fonctionne à pleine puissance pendant environ 260 jours par an, avec des arrêts intermittents pour l'entretien et le chargement du combustible. Un flux de neutrons élevé combiné à l 'instrumentation permet d'accélérer les essais de matériaux et de combustibles dans des conditions contrôlées. Le HFR sera remplacé par le nouveau réacteur de Pallas, actuellement en construction à Petten, assurant ainsi la continuité de ces services d 'irradiation uniques pour les combustibles et matériaux nucléaires.

"Le programme de sels fondus du NRG PALLAS comprend des recherches sur les matériaux de construction appropriés, le traitement et la purification des sels fondus et la stabilisation des déchets radioactifs", a déclaré Arjan Vreeling, directeur de l 'irradiation nucléaire au NRG-Pallas. "Plusieurs projets ont déjà été menés à bien dans le cadre du programme. Cette irradiation est révolutionnaire car l 'influence de l'irradiation sur la corrosion des matériaux de construction n'a pas encore été testée. Dans quelques années, nous serons en mesure de voir comment le matériel se comporte.

« De plus, nous identifions les produits de fission qui sont libérés du combustible pendant l 'irradiation. Le combustible doit rester aussi pur que possible pendant l 'utilisation, il est donc important de savoir si les produits de fission formés restent dissous, précipitent ou sont gazeux. Dans le cadre de ce programme sur les sels fondus, nous collaborons avec le Centre commun de recherche de la Commission européenne. Le sel est fourni par Karlsruhe et la conception de l 'installation d'irradiation est réalisée en collaboration avec Petten. Il s 'agit d'une recherche unique qui rapproche encore plus la réalisation de réacteurs à sels fondus. »