Superphénix
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Superphénix est un prototype français de surgénérateur situé à Creys-Malville, dans l'Isère. Faisant suite aux réacteurs expérimentaux Phénix et Rapsodie, il était prévu pour être le premier réacteur en production et en grandeur nature. Il a été à l'origine d'une polémique sur son coût et sur sa fiabilité, laquelle a entraîné l'abandon de la filière. Deux prédictions ont mené à la construction de Superphénix : l'anticipation d'une croissance soutenue des besoins énergétiques et l'existence d'un stock très limité d'uranium. À cela s'est ajouté le désir d'indépendance énergétique de la France. Ainsi, en avril 1976, Jacques Chirac autorise la société NERSA à passer commande de Superphénix.
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Historique
Ce projet est le fruit d'une collaboration internationale entre EDF (51 %), la société italienne ENEL (33 %) et la société allemande SBK (16 %). À l'origine, un surgénérateur devait être construit dans chaque pays partenaire mais, suite à des pressions politiques, seul Superphénix a vu le jour. Parmi les investisseurs se trouvait aussi l'Iran (pour 1 %). Ceci a causé de nombreux problèmes politiques entre la France et l'Iran après le brutal changement de régime de ce pays. La puissance nominale de la centrale, mise en service en 1988, était de 1240 MW électriques (pour une puissance thermique de 3000 MW), soit à peu près équivalente à un réacteur d'une centrale nucléaire classique (qui va de 900 à 1400 MW).
Superphénix était un prototype à l'échelle industrielle : en 1996 — seule année où Superphénix a fonctionné normalement avec un coefficient de charge de 90 %, supérieur aux autres centrales de type REP du parc nucléaire français — l'équilibre économique avait été atteint grâce aux ventes d'électricité.
À l'arrivée de la gauche plurielle, les Verts ont réclamé l'arrêt et le démantèlement de Superphénix. La Commission de la production et des échanges de l'Assemblée Nationale a constaté en avril 1997 que « l'arrêt immédiat du réacteur est, en tout état de cause, plus coûteux que la poursuite de l'activité même grevée d'un faible taux de disponibilité de l'infrastructure ».
Lionel Jospin ayant pris sa décision, un arrêté ministériel du 19 juin 1997 a conduit à son arrêt définitif. Les raisons invoquées, influencées par la pression de l'opinion publique, était que le faible prix de l'uranium ne justifiait plus les investissements dans cette technologie.
Le démantèlement a conduit EDF à fournir gratuitement de l'électricité aux membres de NERSA au prorata de leur partition en tant que dédommagement financier.
Fonctionnement
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Le réacteur Superphénix, comme celui d'une centrale nucléaire classique, est conçu pour développer une puissance comparable à celle d'une centrale thermique moyenne : 3000 MWth et 1240 MWe, soit un rendement brut de 41,3%. Le combustible est essentiellement constitué de plutonium. On sait que chaque fission de noyau lourd dégage à peu près 200 MeV (contre 1eV par atome pour une réaction chimique). Par conséquent, 1 MWj correspond à 1g de combustible. Si l'on considère que la centrale fonctionne à pleine puissance 300 jours par an, sa consommation est donc de 3000 x 300 = 900kg de plutonium, soit à peu près une tonne. Ce chiffre est à comparer au 15 106 tonnes de pétrole annuelles d'une centrale thermique, ou même aux 27 tonnes d'uranium enrichi d'un REP.
Le principe physique de fonctionnement de Superphénix est le même que celui d'un REP. La fission du combustible, induite par un flux neutronique, dégage de l'énergie en même temps qu'un certain nombre de neutrons, dont une partie induira à nouveau des fissions, entretenant ainsi la réaction en chaîne. D'autre part, dans Superphénix comme dans tout REP, certains neutrons participent à la transmutation de l'uranium 238 en plutonium 239, lequel est aussi, comme on le sait, fissile. La capacité de Superphénix à produire ainsi plus de plutonium qu'il n'en consomme, appelée surgénération, ne peut donc se comprendre qu'à l'examen détaillé du bilan neutronique dans les deux types de centrales.
Bilan neutronique d'un REP
On suppose que le seul matériau fissile est 235U. Les nombres indiqués sont des ordres de grandeur. 100 fissions d'uranium 235 libèrent en moyenne 250 neutrons, qui donnent lieu aux réactions suivantes :
- 100 neutrons provoquent 100 nouvelles fissions, entretenant ainsi la réaction en chaîne, et consommant 100 noyaux du matériau fissile ;
- 70 neutrons subissent des captures fertiles par 70 noyaux du matériau fertile 238U, les transformant en autant de noyaux fissiles de 239Pu ;
- 75 neutrons subissent des captures stériles, soit par des noyaux fissiles (30 neutrons) soit par des noyaux du réfrigérant, des structures du cœur, des éléments de contrôle ou des produits de fission ;
- 5 neutrons fuient hors du cœur (pour être capturés par des protections neutroniques).
Bilan neutronique de Superphénix
On suppose que le seul matériau fissile est 239Pu. 100 fissions de 239Pu libèrent en moyenne près de 300 neutrons. Ces neutrons vont subir les réactions suivantes :
- 100 neutrons provoquent 100 nouvelles fissions, entretenant la réaction en chaîne et consommant 100 noyaux fissiles de 239Pu ;
- 100 neutrons subissent, dans le cœur même du réacteur, une capture fertile par 100 noyaux de 238U, les transformant en autant de noyaux fissiles de 239Pu ;
- 40 neutrons subissent une capture stérile, soit par des noyaux fissiles (20 neutrons), soit par des noyaux du réfrigérant, des structures, des éléments de contrôle ou des produits de fission ;
- 60 neutrons fuient hors du cœur proprement dit, où ils subissent pour l'essentiel (50 neutrons) une capture fertile par 50 noyaux de 238U, les transformant en autant de noyaux de 239Pu ; les autres neutrons (10) subissent une capture stérile, soit dans les couvertures, soit dans les protections neutroniques.
Calculons dans les deux cas le taux de régénération TR, soit par définition le rapport du nombre de noyaux fissiles produits par capture fertile au nombre de noyaux fissiles détruits par fission et capture stérile. Pour un REP, on obtient TR=0,6. Pour Superphénix, on obtient 0,8 en ne comptant que le cœur et 1,25 en comptant les couvertures. On voit donc qu'un réacteur tel que Superphénix est surgénérateur grâce à la présence de couvertures. À l'inverse, entourer un REP de couvertures ne servirait à rien, étant donné le faible nombre de neutrons qui fuient hors du cœur.
Pour obtenir un surgénérateur, on voit donc qu'il faut favoriser la transmutation de 238U en 239Pu dans les couvertures, sous l'effet du flux neutronique. La probabilité d'une telle réaction est donnée par sa section efficace, laquelle dépend de la vitesse du neutron incident. Un neutron issu d'une réaction de fission a une énergie moyenne de 2 MeV. À cette vitesse, la section efficace de la réaction cherchée est d'environ 1 barn. Cependant, pour une énergie comprise entre 5 et 5000 eV, la section efficace devient énorme, de plusieurs milliers à plusieurs dizaines de milliers de barns. Il s'agit d'un phénomène de résonance, car si l'on continue à diminuer la vitesse du neutron (l'énergie d'un neutron thermique à 400°C est comprise entre 10 − 2 et 10 − 1 eV), la section efficace retrouve des valeurs faibles. Par conséquent, en utilisant des neutrons thermiques, comme dans un REP, on n'a aucune chance de favoriser la transmutation de l'uranium. Par contre, des neutrons non ralentis, en perdant de l'énergie dans des collisions inélastiques avec 238U, passent progressivement d'une vitesse de l'ordre de 2 MeV à une vitesse favorable à la transmutation. C'est là tout l'intérêt des réacteurs à neutrons rapides (RNR) tels que Superphénix.
L'utilisation de neutrons rapides a d'ailleurs un autre avantage. En effet, pour des vitesses de l'ordre du keV, les réactions intempestives de capture stérile des neutrons par des noyaux de la structure du cœur est de l'ordre du barn, alors qu'elle est de plusieurs centaines de barns pour des neutrons thermiques. La conception d'un RNR est donc moins limitative en terme de choix de matériaux que celle d'un REP.
Pour autant, le phénomène physique qui justifie dans les REP l'utilisation de neutrons thermiques se retrouve dans les RNR. À une vitesse de l'ordre du keV, un neutron n'induit la fission d'un noyau de 235U ou de 239Pu qu'avec une section efficace de l'ordre du barn. À l'inverse, l'emploi d'un neutron thermique hausse la même section efficace à plusieurs centaines de barns. L'utilisation de neutrons rapides doit donc compenser une faible section efficace de fission par une importante densité relative en plutonium 239.
Dans les réacteurs classiques, la majorité de l'énergie est fournie par l'uranium 235, directement fissible mais présent seulement à 0,7 % dans l'uranium naturel. La filière des RNR promettrait donc d'obtenir au final environ 100 fois plus d'énergie à partir d'une même masse initiale de matière fissile.
La chaleur produite dans le réacteur est évacuée avec du sodium liquide (-550°C). En effet il fallait à la fois que le matériau soit un caloporteur efficace (comme l'eau) et qu'il ne ralentisse pas les neutrons (contrairement à l'eau). Ce premier circuit (primaire) de sodium échange la chaleur avec un circuit secondaire de sodium, puis avec un circuit à eau, laquelle pousse les turbines de l'alternateur après vaporisation.
Le circuit de refroidissement de Superphénix était de type piscine (pool reactor) : le sodium du circuit primaire, potentiellement radioactif, était confiné à l'intérieur de la cuve et un échangeur intermédiaire permettait l'échange de chaleur avec le circuit secondaire de refroidissement de sodium. Ceci constituait une innovation technologique majeure par rapport au système notamment utilisé sur Rapsodie et les surgénérateurs américains : le refroidissement par boucles (loop reactor) où plusieurs boucles (2 dans le cas de Rapsodie et jusqu'à 6 pour certains réacteurs) de sodium permettaient l'échange entre circuit primaire et circuit secondaire, le sodium primaire radioactif n'étant alors pas confiné à l'intérieur de la cuve.
Débat sur Superphénix
Superphénix a été au centre d'un vive controverse, les militants antinucléaires exposant de nombreux arguments contre lui, ses défenseurs argumentant sur son intérêt.
Critiques
Le risque de l'accident majeur est toujours possible, bien que très faible (un emballement du cœur du type de celui de la Catastrophe de Tchernobyl est en effet impossible en raison de la réactivité négative du combustible), cependant la décision de le construire n'a pas été soumise à la population des alentours.
La centrale contenait cinq tonnes de plutonium et mille tonnes de sodium liquide, qui s'enflamme spontanément au contact de l'air, et explose au contact de l'eau en produisant de l'hydrogène, lui-même extrêmement réactif. Par ailleurs, on ne sait toujours pas éteindre un feu de plus de quelques centaines de kilogrammes de sodium.
Le 8 décembre 1990, une partie du toit de la salle des turbines s'est écroulée à cause de la neige, nécessitant de remplacer l’un des deux groupes turboalternateurs. Le réacteur était arrêté ce jour-là.
Une des problématiques pour la sécurité est l'augmentation de la viscosité du fluide caloporteur (le sodium liquide) en cas de pollution mal maîtrisée.
Le 31 juillet 1977, une manifestation s'est déroulée. Les CRS, débordés par l'ampleur de la manifestation (l'une des plus importantes de l'histoire du mouvement antinucléaire français), ont utilisé des grenades offensives pour repousser les manifestants, faisant un mort, Vital Michalon et une centaine de blessés, dont plusieurs ont dû être amputés d'une main ou d'un pied. Lors de cette manifestation, plusieurs manifestants ont tenté de forcer les barrières destinées à protéger le chantier.
Le prix de la construction (dix milliards de francs pour une prévision de quatre milliards) et de l'entretien de Superphénix pendant son fonctionnement a été évalué à 28 milliards de francs français et le prix de son démantèlement a été éstimé à 25 milliards de francs français : au final l'expérience industrielle a souvent été jugée coûteuse, la possibilité d'une exploitation industrielle « normale » étant contestée.
Apports avancés
Il est avancé que la surgénération représente toujours une solution au problème de la pénurie d'uranium. En effet, même si les prévisions des années 1970 se sont révélées trop pessimistes en raison des politiques de maîtrise des dépenses énergétiques au lendemain des crises pétrolières et d'une sous-estimation de la quantité et de la teneur des gisements d'uranium économiquement exploitables, la pénurie d'uranium est toujours évaluée pour l'horizon 2050.
Superphénix a permis au CEA et à EDF de développer des techniques pointues. Des données technologiques ont été collectées, notamment quant au caloporteur : le sodium liquide. Ces connaissances pourraient être réutilisées pour les futurs réacteurs à neutrons rapides à caloporteur sodium, une des solutions préconisées par le forum Generation IV, qui regroupe les grandes puissances du nucléaire civil : Allemagne, États-Unis d'Amérique, France, Grande-Bretagne, Italie, Japon, Russie, etc.
Un argument avancé au sujet de l'environnement est que l'énergie des neutrons rapides, contrairement aux réacteurs à eau pressurisée, permet de transformer non seulement tous les atomes lourds initiaux, mais aussi ceux, à vie longue, engendrés par la réaction : neptunium, plutonium, américium, curium, etc. De plus, le surgénérateur pouvait être réglé en surgénération pour optimiser le rendement matière (l'uranium naturel est peu à peu transformé en plutonium qui est brûlé à son tour) ou en sousgénération, auquel cas il brûle des excès de matière fissile et permet notamment de retraiter le plutonium militaire. Enfin, un réacteur rapide pourrait accélérer la transmutation de produits de fission à vie longue en produits à vie plus courte et donc contribuer à réduire la toxicité à terme de ces déchets. De telles études étaient menées à Superphénix, en accord avec la loi Bataille, qui requiert un audit sur les solutions de traitement des déchets nucléaires d'ici 2006.
Le démantèlement a été décidé sans consultation publique comme il est d'usage en pareil cas (comme pour le démantèlement du réacteur de Brennilis en Bretagne). L'abandon de Superphénix a été décidé par un simple arrêté ministériel, sa construction ayant été décidée par une loi.
Voir aussi
Liens externes
- Rapport de la Cour des comptes
- Superphénix News
- Superphénix - Réacteur surgénérateur nucléaire
- Il était une fois… Superphénix