Un nouveau moyen de refroidir et de contenir la masse radioactive, semblable à de la lave, qui se forme dans le cœur d’un réacteur nucléaire lors d’une fusion catastrophique a été mis au point par des chercheurs américains. La technique consiste à utiliser des matériaux carbonatés granulaires plutôt que de l’eau et a été démontrée dans des bancs d’essai à petite et grande échelle utilisant de l’oxyde de plomb fondu. Les développeurs travaillent maintenant à une application commerciale du système.
Lorsqu’une centrale nucléaire subit une fusion catastrophique, il peut se former un mélange radioactif de type lave composé de combustible nucléaire, de barres de contrôle, de produits de fission et de composants structurels du réacteur. Surnommée « corium », cette masse fondue est à la fois extrêmement dangereuse et susceptible de se déplacer.
« Lors d’un grave accident de réacteur, la cuve qui contenait le combustible fond et se rompt », explique David Louie, ingénieur des Sandia National Laboratories. « Ensuite, toutes ces matières tombent sur le sol de l’enceinte de confinement et commencent à se répandre. »
Hydrogène explosif
La fusion peut intensifier le rejet de matières radioactives dans le milieu environnant de deux manières, la première étant le potentiel du corium à fondre à travers le sol du bâtiment du réacteur et à s’infiltrer dans le sol sous-jacent. La masse fondue pourrait également réagir chimiquement avec les matériaux environnants tels que le béton pour créer du gaz d’hydrogène qui peut s’accumuler et provoquer une explosion.
La technique standard pour traiter le corium est d’essayer de le refroidir avec de l’eau. Cependant, cette approche fonctionne généralement trop lentement, permettant à la catastrophe de continuer à évoluer et laissant les contaminants radioactifs s’échapper dans la zone environnante.
« Finalement, le corium cesse de se propager parce que l’eau le refroidit », a déclaré Louie. « Mais vous ne voulez pas que l’accident s’aggrave de plus en plus pendant que vous travaillez à faire entrer l’eau. L’eau constitue également une source d’hydrogène explosif. »
À la recherche d’une meilleure méthode pour refroidir et contenir le corium, Louie et ses collègues se sont tournés vers des minéraux carbonatés granulaires comme la calcite et la dolomite, qui, selon eux, pourraient être injectés au cœur des réacteurs en cas de fusion.
Test à petite échelle
En commençant par un test à petite échelle, l’équipe a chauffé quelques grammes de poudre d’oxyde de plomb à 1000 °C pour créer un matériau fondu similaire au corium. Ils l’ont ensuite combiné à la fois avec un échantillon de calcite granulaire et, pour comparaison, avec des grains de dioxyde de silicium (sable).
« Nous avons vu que les minéraux carbonatés injectables fonctionnent », a déclaré Louie. « Il a réagi chimiquement pour produire beaucoup de dioxyde de carbone, qui a ‘levé’ l’oxyde de plomb en une belle structure semblable à un gâteau. La réaction elle-même a eu un effet de refroidissement, et tous les pores du « gâteau » permettent un refroidissement supplémentaire. » En revanche, le sable utilisé comme échantillon témoin n’a eu aucun effet sur le corium simulé.
Une expérience de suivi, réalisée à l’échelle du kilogramme, a également montré que les granulés de carbonate pouvaient être appliqués avec succès pour contenir le matériau fondu. Les chercheurs ont également intégré leurs matériaux de sécurité injectables dans le logiciel de modélisation des fusions de réacteurs de Sandia afin d’examiner comment les carbonates granulaires pourraient affecter une catastrophe nucléaire réelle en cours – comme celle qui s’est produite à la centrale japonaise de Fukushima Daiichi en 2011.
« S’il existe de nombreuses façons de rendre l’énergie nucléaire plus sûre, les solutions telles que les réacteurs à ondes progressives et les réacteurs à sels fondus impliquent souvent des infrastructures entièrement nouvelles, dont le développement peut prendre des décennies », explique le physicien Lawrie Skinner de l’université de Stanford, qui n’a pas participé à la présente étude. Il ajoute : « Cette méthode d’injection de carbonate offre un moyen simple de rendre la technologie actuelle des réacteurs plus sûre. »
Des démonstrations à plus grande échelle sont nécessaires
« Bien que cela doive encore être démontré expérimentalement à plus grande échelle et avec des matériaux qui correspondent étroitement aux fusions nucléaires, il sera passionnant de voir comment ces méthodes d’injection de carbonate se comportent. »
Oliver Alderman de Materials Development Inc. a déjà étudié la lave de corium et qualifie la nouvelle recherche de « très beau concept ». « Je m’interroge toutefois sur l’effet de la température du corium – le corium peut être beaucoup plus chaud que l’oxyde de plomb fondu utilisé – et aussi sur les réactions exothermiques secondaires qui peuvent se produire », prévient-il.
Il ajoute : « Un autre point intéressant à prendre en compte est que la conductivité thermique du matériau du ‘gâteau’ est susceptible d’être très faible, et cela pourrait être un avantage, ou un inconvénient, selon la conception du réacteur ».
Avec leur étude initiale terminée, les chercheurs ont maintenant un brevet non provisoire en cours pour les matériaux de sécurité injectables et cherchent également à effectuer des tests à encore plus grande échelle, mais avec l’incorporation d’uranium appauvri.
« Après cela, nous serions prêts à commercialiser la technologie », a déclaré Louie, ajoutant que les matériaux de confinement en carbonate « pourraient être adaptés à n’importe quelle conception de réacteur nucléaire existante ».
Les Sandia National Laboratories lancent un appel à manifestation d’intérêt auprès d’autres groupes de recherche et organisations intéressés par un partenariat pour des travaux futurs sur cette approche du confinement du corium.
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