Comment améliorer la sécurité des réacteurs de la prochaine génération ?

Lorsque l’un des plus grands séismes modernes a frappé le Japon le 11 mars 2011, les réacteurs nucléaires de Fukushima-Daiichi se sont automatiquement arrêtés, comme prévu. Les systèmes d’urgence, qui auraient permis de maintenir le refroidissement nécessaire du cœur, ont été détruits par le tsunami qui a suivi. Le réacteur n’étant plus en mesure de se refroidir, le cœur a surchauffé, ce qui a entraîné une grave fusion nucléaire, du jamais vu depuis la catastrophe de Tchernobyl en 1986.

Depuis lors, les réacteurs se sont améliorés de grandement en termes de sécurité, de durabilité et d’efficacité. Contrairement aux réacteurs à eau légère de Fukushima, qui disposaient d’un liquide de refroidissement et d’un combustible à l’uranium, la génération actuelle de réacteurs dispose de plusieurs options de refroidissement, notamment des mélanges de sels fondus, de l’eau supercritique et même des gaz comme l’hélium.

Jean Ragusa et Mauricio Eduardo Tano Retamales, du département de génie nucléaire de l’université A&M du Texas, ont étudié une nouvelle génération de réacteurs, les réacteurs à lit de galets. Les réacteurs à lit de boulets utilisent des éléments combustibles sphériques (appelés boulets) et un fluide de refroidissement (généralement un gaz).

« Il y a environ 40 000 galets de combustible dans un tel réacteur », a déclaré Ragusa. « Imaginez le réacteur comme un très grand seau avec 40 000 balles de tennis à l’intérieur« .

Lors d’un accident, lorsque le gaz dans le cœur du réacteur commence à chauffer, l’air froid du dessous commence à monter, un processus connu sous le nom de refroidissement par convection naturelle. En outre, les galets de combustible sont fabriqués à partir de carbone pyrolytique et de particules tristructurales-isotropes, ce qui les rend résistants à des températures pouvant atteindre 3 000 degrés Fahrenheit. En tant que réacteur à très haute température (VHTR), les réacteurs à lit de boulets peuvent être refroidis par une circulation naturelle passive, ce qui rend théoriquement impossible la survenue d’un accident comme celui de Fukushima.

Cependant, en fonctionnement normal, un flux à grande vitesse refroidit les galets. Ce flux crée un mouvement autour et entre les galets de combustible, de la même manière qu’une rafale de vent modifie la trajectoire d’une balle de tennis. Comment tenir compte de la friction entre les galets et de l’influence de cette friction sur le processus de refroidissement ?

C’est la question à laquelle Ragusa et Tano ont tenté de répondre dans leur dernière publication dans la revue Nuclear Technology intitulée « Coupled Computational Fluid Dynamics-Discrete Element Method Study of Bypass Flows in a Pebble-Bed Reactor« .

« Nous avons résolu l’emplacement de ces « balles de tennis » à l’aide de la méthode des éléments discrets, où nous tenons compte du mouvement et de la friction induits par l’écoulement entre toutes les balles de tennis« , a déclaré Tano. « Le modèle couplé est ensuite testé par rapport aux mesures thermiques de l’expérience SANA.« 

L’expérience SANA a été menée au début des années 1990 et a permis de mesurer comment les mécanismes d’un réacteur interagissent lors de la transmission de la chaleur du centre du cylindre vers la partie extérieure. Cette expérience a permis à Tano et Ragusa de disposer d’une norme par rapport à laquelle ils pouvaient valider leurs modèles.

En conséquence, leurs équipes ont mis au point un modèle couplé de dynamique des fluides numérique et de méthodes par éléments discrets pour étudier l’écoulement sur un lit de galets. Ce modèle peut désormais être appliqué à tous les réacteurs à lit de galets à haute température et est le premier modèle de calcul de ce type à le faire. Ce sont des outils de très haute précision comme celui-ci qui permettent aux fournisseurs de développer de meilleurs réacteurs.

« Les modèles de calcul que nous créons nous aident à évaluer plus précisément les différents phénomènes physiques dans le réacteur« , a déclaré M. Tano. « En conséquence, les réacteurs peuvent fonctionner avec une marge plus élevée, produisant théoriquement plus d’énergie tout en augmentant la sécurité du réacteur. Nous faisons la même chose avec nos modèles de réacteurs à sels fondus pour le ministère de l’Énergie.« 

À mesure que l’intelligence artificielle progresse, ses applications à la modélisation et à la simulation informatiques se développent. « Nous vivons une période très stimulante dans ce domaine« , a déclaré M. Ragusa. « Nous encourageons tous les futurs étudiants qui s’intéressent à la modélisation informatique à nous contacter, car nous espérons que ce domaine existera encore longtemps. »

Légende : Les réacteurs à lit de galets utilisent une circulation naturelle passive pour refroidir, ce qui rend théoriquement impossible la fusion du cœur du réacteur.

Crédit : Dr. Jean Ragusa and Dr. Mauricio Eduardo Tano Retamales/Texas A&M University Engineering