Les techniques modernes de pyrotraitement promettent de fournir du combustible nucléaire d'origine nationale à un coût abordable pour les réacteurs de nouvelle génération tout en réduisant considérablement le volume et la toxicité des déchets restants.

Environ 5 % de l'uranium contenu dans une barre de combustible d'un réacteur à eau légère est utilisé pour produire de l'énergie avant que les barres ne soient retirées du réacteur et placées dans un stockage permanent, laissant les déchets nucléaires usés (SNF) continuer à se désintégrer à un taux de toxicité relativement élevé pour des centaines de milliers d'années.

Les travaux de recyclage du SNF - un peu moins d'un tiers des près de 400 000 tonnes produites dans le monde ont été retraités - ont donné des résultats mitigés, produisant des matériaux de qualité militaire potentiellement dangereux et à un coût nettement supérieur à l'extraction de plus d'uranium.

La capacité mondiale actuelle de retraitement est d'environ un peu moins de 2 000 tonnes par an via des usines en France, en Grande-Bretagne, en Inde et en Russie.

Suite à l'invasion russe de l'Ukraine, la sécurisation de l'approvisionnement national en combustible pour les réacteurs nucléaires américains est devenue une priorité et une ligne de recherche semble particulièrement prometteuse pour les réacteurs nucléaires de prochaine génération actuellement en développement.

Les scientifiques du U.S. Argonne National Laboratory ont commencé à travailler sur le recyclage du combustible des réacteurs rapides au début des années 60 lors du développement de l'Experimental Breeder Reactor-II (EBR-II) et plus tard pendant le programme Integral Fast Reactor (IFR).

L'Argonne a prolongé les travaux commencés avec l'EBR-II, un réacteur à neutrons rapides, pour développer des procédés pyrochimiques pour le recyclage des oxydes, des carbures et d'autres combustibles avancés.

L'IFR, un réacteur rapide refroidi par un métal liquide, a ensuite été conçu pour produire de l'énergie et consommer des déchets. Tout en travaillant dessus, les chercheurs ont adopté un pyroprocédé dans lequel une réaction électrochimique est utilisée pour séparer les actinides souhaités des produits de fission indésirables pour les recycler en nouveau combustible. .

"En ce moment, notre objectif est de faire passer le pyrotraitement à un état prêt à être déployé", déclare Krista Hawthorne, responsable de la section Pyroprocess Engineering d'Argonne.

Pyrotraitement et électroraffinage

Le pyrotraitement prend les pastilles d'oxyde de céramique dure récupérées dans les réacteurs à eau légère - dont environ 95 % sont encore de l'uranium et 1 % sont des actinides d'éléments radioactifs à longue durée de vie tandis que le reste est constitué de produits de fission inutilisables - et convertit les constituants de l'oxyde en métal.

Ce métal est ensuite immergé dans une cuve de sel fondu où, par électroraffinage, un courant électrique dissout et redépose sélectivement l'uranium et d'autres éléments réutilisables qui sont ensuite utilisés pour fabriquer du combustible pouvant être utilisé par des réacteurs rapides.

Les 4% du combustible qui sont des produits de fission inutilisables doivent encore être éliminés via un stockage permanent, bien que sa toxicité radioactive revienne aux niveaux d'uranium naturel en quelques centaines d'années, considérablement moins que les milliers d'années que prend le SNF non traité. revenir car la plupart des isotopes à longue durée de vie ont été recyclés.

Toxicité radiologique relative des constituants du combustible usé

Aujourd'hui, les LWR restent la conception standard des réacteurs nucléaires aux États-Unis, pour lesquels l'uranium brut est un combustible bon marché et facilement disponible, mais à mesure que les réacteurs rapides se rapprochent des démonstrations et, d'ici la fin de la décennie, de l'adoption commerciale, le combustible recyclé pourrait être la norme.

Grâce à des travaux approfondis sur l'économie du recyclage du combustible, l'étude d'Argonne de 2018, "Conceptual Design of a Pilot-Scale Pyroprocessing Facility", souligne la viabilité de l'électroraffinage en tant que solution pratique à la gestion et au recyclage du combustible usé pour les réacteurs rapides.

Dans la recherche, un système conçu pour recycler 100 tonnes de carburant par an avait un coût d'investissement total de 398 millions de dollars, y compris l'équipement de traitement et les systèmes de support, estimés à 93 millions de dollars, et le coût de l'installation à 305 millions de dollars.

Le passage à 400 tonnes par an a été estimé à un coût en capital total de 911 millions de dollars et un coût d'exploitation annuel de 90 millions de dollars.

Depuis la publication de l'étude, Argonne a amélioré cette conception pour l'amener à un niveau commercialement viable en utilisant les dernières technologies.

"Nous faisons des choses telles que l'intégration de certains des capteurs de nouvelle génération que nous avons développés avec le contrôle des processus pour améliorer l'efficacité. Nous cherchons à améliorer la méthode de collecte des produits, à réduire le coût des processus, et nous sommes utilisant également des techniques telles que l'apprentissage automatique", déclare Hawthorne.

Argonne développe un jumeau numérique de l'électroraffineur qui prend les informations des capteurs de surveillance développés en interne afin que l'équipe soit en mesure d'identifier et de réagir aux conditions changeantes de l'électroraffinage en temps réel.

"Nous travaillons dans ce sens pour améliorer l'efficacité et travailler à l'industrialisation du traitement pyrotechnique", déclare-t-elle.

Oklo à bord

Le travail d'Argonne, aux côtés du développeur de microréacteurs Oklo, a attiré l'attention du Département américain de l'énergie (DOE).

En août, la secrétaire américaine à l'Énergie, Jennifer Granholm, a reçu une visite des programmes expérimentaux de l'entreprise à Argonne par les fondateurs d'Oklo, le PDG Jacob DeWitte et la directrice de l'exploitation Caroline Cochran aux côtés du directeur du laboratoire d'Argonne, Paul Kearns.

Le développeur basé en Californie a reçu 11,5 millions de dollars pour trois prix compétitifs du DOE, acheminés via le Fonds de commercialisation de la technologie (TFC), ARPA-E OPEN et ARPA-E ONWARDS, pour développer des technologies de recyclage avancées en partenariat avec Argonne.

Oklo a également reçu une subvention via le Gateway for Accelerated Innovation in Nuclear (GAIN) pour des travaux expérimentaux de thermohydraulique en métal liquide dans la nouvelle installation METL (Mecanisms Engineering Test Loop) d'Argonne.

La société, qui détient un permis d'utilisation du site du DOE pour construire sa première usine au Laboratoire national de l'Idaho (INL) et a développé la première demande de licence combinée de fission avancée, affirme qu'elle est sur la bonne voie pour déployer son premier réacteur avancé commercial aux États-Unis. d'ici 2025.

Les réacteurs rapides de nouvelle génération, tels que l'Aurora d'Oklo, sont soutenus par le recyclage du combustible usé et offrent ainsi une solution indispensable pour fermer le cycle du combustible nucléaire.

"À l'heure actuelle, les déchets sont un énorme fardeau et il y a des dépenses massives rien que pour les stocker, donc si quelqu'un devait nous payer pour s'en débarrasser, cela changerait l'économie. Même si c'est gratuit, c'est toujours bénéfique et économique." dit COO Cochran.

La préoccupation actuelle concernant le coût du recyclage est infondée, dit Cochran, en particulier lors de l'alimentation des réacteurs rapides de nouvelle génération tels que Aurora d'Oklo, Natrium de TerraPower ou des réacteurs à sels fondus de Moltex et Elysium.

"Il n'y a pas de véritable raison fondamentale pour laquelle cela devrait être si cher. C'est la façon dont vous l'exploitez et le réglementez. Le carburant est notre plus gros coût. Si nous pouvons le recycler, alors nous pouvons vraiment atteindre des coûts inférieurs à tout ce qui existe sur le réseau aujourd'hui, " elle dit. + Explorer plus loin

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