Une renaissance de l'énergie nucléaire en Suède et le programme SUNRISE

L'énergie nucléaire est un élément clé d'un système énergétique durable à l'échelle mondiale. Au KTH Royal Institute of Technology, il existe une longue tradition de recherche, d'innovation et de développement de la technologie de l'énergie nucléaire. KTH a le seul programme de Master en génie de l'énergie nucléaire actuellement en cours en Suède, qui est également dispensé conjointement en tant que Master international dans le cadre InnoEnergy EMINE et est géré par la division de génie nucléaire du Département de physique de KTH. Il y a maintenant une croissance attendue à la fois de ce programme et des activités d'enseignement et de recherche en génie nucléaire en Suède, entraînées par une renaissance nucléaire accélérée.

La crise énergétique en Europe, qui a été fortement aggravée par l'invasion russe de l'Ukraine, a placé la sécurité énergétique et l'indépendance énergétique au premier plan de l'agenda politique et sociétal. En Suède, qui est déjà presque neutre en carbone dans sa production d'électricité, les grands et ambitieux projets d'infrastructure qui sont au cœur de la stratégie nationale suédoise d'électrification pour transformer l'industrie et les transports auront besoin de quantités massives d'énergie électrique, ainsi que de chaleur industrielle et d'hydrogène non fossiles. Le nouveau gouvernement suédois a récemment annoncé 25 millions d'euros supplémentaires pour la recherche sur l'énergie nucléaire au cours des trois prochaines années. Ils ont proposé d'abandonner l'ancienne législation politiquement motivée qui limite le nombre et l'emplacement des réacteurs nucléaires, et ils tracent une feuille de route pour développer un système énergétique durable pour l'avenir. L'attention portée à ce développement industriel s'est traduite par une demande accrue de renforcement des compétences, d'enseignement supérieur et de développement et d'impulsion de programmes de recherche de pointe.

Ces dernières années, la recherche et l'innovation au KTH se sont orientées vers les petits réacteurs modulaires (SMR), mais en général, un large éventail de sujets est couvert. La recherche couverte comprend des études fondamentales sur les interactions rayonnement-matière, la physique des réacteurs, la conception et l'analyse de la sécurité des réacteurs avancés, le développement d'aciers avancés, la science des matériaux nucléaires et les dommages causés par les rayonnements, le développement du combustible nucléaire, la modélisation, l'exposition et la caractérisation, les essais et la modélisation de matériaux et composants dans les métaux liquides lourds à haute température, le développement et l'optimisation de méthodes Monte-Carlo avancées et le transfert de chaleur dans l'eau jusqu'à l'état supercritique.

La recherche sur l'énergie nucléaire a une demande particulière d'infrastructures expérimentales nécessaires pour progresser. Dans de nombreux cas, l'infrastructure peut être utilisée conjointement avec d'autres domaines scientifiques pour une synergie optimale. Au KTH, les chercheurs en énergie nucléaire utilisent plusieurs laboratoires de synthèse et de caractérisation des matériaux, où la microscopie électronique, le frittage par plasma d'étincelle, la diffraction des rayons X et d'autres outils supportent la charge la plus lourde. La recherche sur la technologie des réacteurs, l'étude de la dynamique des fluides, du transfert de chaleur et de la mécanique peut également bénéficier d'infrastructures expérimentales centrales. Pour les matières nucléaires, et notamment celles contenant des actinides, ou des échantillons irradiés, il existe un besoin criant d'infrastructures spécialisées capables de traiter les particularités de ces matières. Pour les échantillons contenant de l'uranium, un équipement standard peut souvent être utilisé après que les risques de contamination ont été pris en compte, mais pour les échantillons qui peuvent activer leur environnement ou être préoccupants sur le plan radiologique, des installations expérimentales dédiées et protégées contre les rayonnements doivent être utilisées.

KTH héberge l'un des deux laboratoires universitaires en Suède qui travaille sur la fabrication, l'exposition, la caractérisation et l'analyse du combustible nucléaire, mais pas avec des matériaux plus actifs que l'uranium non irradié. KTH héberge également des laboratoires dédiés aux accidents graves qui sont utilisés à la fois pour des études d'effets séparés et des tests intégraux avec, par exemple, des simulants de corium. À Chalmers, il existe un laboratoire de carburant dédié qui peut traiter les matériaux actifs. L'Université d'Uppsala héberge l'installation nationale de faisceaux d'ions qui est utilisée pour l'implantation, les études sur les dommages causés par les rayonnements et la caractérisation des matériaux. L'Université de technologie de Luleå héberge le Tribolab, qui dispose d'un large éventail d'installations tribologiques de pointe. À l'échelle nationale, la Suède est bien placée pour faire progresser la technologie de l'énergie nucléaire, mais il n'y a toujours pas de stratégie nationale de recherche claire comprenant un soutien aux infrastructures critiques pour le secteur de l'énergie nucléaire.

Actuellement, il existe deux grands centres de recherche sur l'énergie nucléaire en Suède où les principales universités techniques collaborent et où l'industrie nucléaire et la science des matériaux sont des parties prenantes actives.

Le centre ANItA, ouvert en 2022 et hébergé par l'Université d'Uppsala, est un centre de compétences dont le but est de rassembler les compétences universitaires et industrielles en technologie nucléaire dans les domaines techniques et non techniques. Le centre est initialement financé par le milieu universitaire suédois - sous la forme de KTH, l'Université d'Uppsala et l'Université de technologie de Chalmers - l'industrie nucléaire suédoise et l'Agence suédoise de l'énergie.

Les objectifs d'ANItA sont, par le biais de la recherche et du développement, de générer une aide à la décision fondée sur la connaissance visant à la mise en œuvre rapide et sûre de nouvelles technologies d'énergie nucléaire en Suède. Il s'agit de permettre à la Suède de devenir une nation totalement exempte de fossiles. D'autres domaines prioritaires génèrent une nouvelle expertise technique nucléaire nationale pour assurer l'exploitation sûre des installations nucléaires existantes et futures, partagent des connaissances factuelles dans le domaine de la technologie nucléaire, se transforment en une organisation de soutien technique pour la politique, les autorités et la société en général, et créent de bonnes conditions pour que l'industrie suédoise et la vie sociale bénéficient d'un bon approvisionnement énergétique, permettant à l'industrie suédoise de devenir un partenaire important pour les fournisseurs internationaux de réacteurs. Le centre ANItA travaille principalement avec la technologie des petits réacteurs modulaires refroidis à l'eau.

Le centre SUNRISE du KTH à Stockholm, financé principalement par la Fondation suédoise pour la recherche stratégique, a été créé en 2021 en tant que plateforme de collaboration ciblée englobant des chercheurs du KTH, de l'Université de technologie de Luleå et de l'Université d'Uppsala. Le centre rassemble également des partenaires universitaires internationaux et une grande partie de l'industrie suédoise liée à l'énergie nucléaire, à la science des matériaux et au développement.

L'objectif principal de SUNRISE est de développer et de permettre le déploiement de la technologie des réacteurs rapides au plomb. Ces systèmes de réacteurs peuvent jouer le rôle central dans un cycle du combustible nucléaire fermé de génération IV - réduisant considérablement les déchets de haute activité et à vie longue - tout en fournissant une énergie sûre, propre et flexible. La recherche au sein du centre SUNRISE se concentre sur la physique et la conception des réacteurs, la science des matériaux et la technologie des procédés, et combine des programmes expérimentaux et de modélisation pour travailler à l'établissement d'un réacteur de recherche et de démonstration refroidi au plomb en Suède. SUNRISE relie les trois universités partenaires à un large éventail de partenaires de collaboration. Les plus fortement impliqués sont LeadCold Reactors, Westinghouse Electric Sweden et Alleima EMEA. Cependant, SUNRISE a également vu l'implication d'Uniper, Jernkontoret, Promation, Outokumpu, Safetech, Vattenfall et Vysus Group qui sont des acteurs industriels, la municipalité d'Oskarshamns et l'Autorité suédoise de radioprotection qui suivent tous deux le développement, et le MIT aux États-Unis, l'Université de Bangor au Royaume-Uni et l'UNSW en Australie qui sont des partenaires académiques internationaux.

Le travail de SUNRISE est organisé en cinq modules de travail. Le premier est axé sur la conception et l'analyse de sûreté du réacteur de recherche refroidi au plomb. L'objectif est de réaliser, avec le soutien d'organismes externes, un rapport préliminaire d'analyse de sûreté (PSAR) du réacteur qui pourra être soumis à l'Autorité suédoise de radioprotection (SSM) dans le cadre d'une demande de construction d'un tel réacteur si un financement provenant d'autres sources est obtenu.

Dans le deuxième lot de travaux sur le développement et la modélisation des aciers avancés, les aciers de formage d'alumine et les matériaux pour les roues de pompe sont développés et optimisés, avec le soutien de la modélisation thermodynamique. Des échantillons de test et des prototypes de composants sont fabriqués pour des tests mécaniques, d'érosion et d'irradiation. La modélisation des performances d'irradiation, de la fragilisation et de l'interaction entre le plomb et l'oxyde d'aluminium est réalisée à l'aide de méthodes ab initio et d'approches multi-échelles.

Dans le troisième lot de travaux, nous développons et testons de nouveaux matériaux, revêtements et techniques de fabrication. La tâche principale est de qualifier les matériaux et les procédés pour assurer la protection des composants exposés au plomb. Des essais de frottement des aciers de formation d'alumine sont effectués dans un environnement de plomb liquide à haute température au Tribolab de Luleå. Le frittage au plasma par étincelle de carbures cémentés à base de tungstène avec un minimum d'additifs de liaison métalliques est développé et les solides seront exposés à des conditions difficiles, testés et analysés. Le soudage au laser de différents revêtements en acier formant de l'alumine sur des tubes de revêtement austénitique de qualité nucléaire avancés est en cours.

Le développement du combustible est au centre du quatrième lot de travaux, où des pastilles de combustible de nitrure d'uranium incorporant des produits de fission simulés sont fabriquées à l'aide de techniques de frittage par plasma à étincelles. Une gamme de porosités est produite pour imiter l'effet de la formation de bulles. Les produits de fission simulés sont introduits à l'aide de diverses méthodes, y compris celles développées dans le troisième module de travail. La dégradation des performances du combustible avec combustion est évaluée par la mesure de la capacité calorifique, de la diffusivité thermique, de la conductivité thermique et de la dilatation thermique des échantillons de simfuel fabriqués. Des expériences d'interdiffusion combustible-gaine et combustible-liquide de refroidissement sont menées pour déterminer l'impact des produits de fission, et des essais de fuite de crayons seront menés pour évaluer les performances en conditions accidentelles. En outre, une série d'évaluations thermodynamiques des systèmes combustible-gaine-liquide de refroidissement seront réalisées, alimentant le développement de la base de données internationale sur la thermodynamique des carburants avancés (TAF-ID) organisé par l'OCDE/AEN.

Le lot de travaux final développe des installations d'essais expérimentaux pour les composants et les matériaux dans un environnement de réacteur rapide au plomb. Dans ce lot de travaux, plusieurs bancs d'essais expérimentaux sont conçus, construits et utilisés pour les essais et la qualification des composants du réacteur de recherche. Une plate-forme d'érosion sera utilisée pour la qualification des roues de pompe, ainsi que des gaines de combustible et des tubes de générateur de vapeur dans des régimes d'écoulement de plomb prototypes à des températures allant jusqu'à 750°C. Des essais d'effets distincts seront effectués dans une installation à plus petite échelle. Des maquettes utilisant des liquides transparents seront utilisées pour la validation de modèles prédisant des caractéristiques d'écoulement turbulent dans des installations utilisant du plomb liquide.

Les récentes percées de SUNRISE sont le développement d'aciers de formation d'alumine résistants à la corrosion et à l'érosion sans fragilisation pour une utilisation dans les réacteurs rapides au plomb, le développement de cadres de modélisation avancés qui peuvent être utilisés pour effectuer des simulations d'irradiation à haute dose directement à partir des premiers principes atomistiques, et de nouveaux essais mécaniques et thermomécaniques de structures de combustible nucléaire avancées, ici du nitrure d'uranium et des combustibles à combustion simulée contenant des simulants de produits de fission inactifs. Des infrastructures dédiées à l'exposition et aux tests des matériaux sont en cours de mise en service et de construction à KTH dans le cadre de SUNRISE. La corrosion/érosion accélérée par l'écoulement est un phénomène d'importance pour la sécurité dans les réacteurs rapides au plomb et les chercheurs de SUNRISE construisent une installation qui peut être commutée de manière flexible d'études d'effets séparés avec des vitesses d'écoulement linéaires de 0 à 20 m/s et des nombres de Reynolds jusqu'à un million, à des tests à long terme de composants critiques.

En collaboration avec l'Université de Nouvelle-Galles du Sud en Australie, SUNRISE est un partenaire essentiel sur une application pour le temps de faisceau de neutrons à l'ANSTO, qui a récemment obtenu un accès au programme de trois ans. Cela permettra une caractérisation approfondie des propriétés thermiques, élastiques et mécaniques de nouveaux combustibles et matériaux de structure pour un large éventail de conditions grâce à l'utilisation de la diffusion des neutrons.

La deuxième étape du programme de recherche et développement initié par SUNRISE, appelé Solstice, est la conception, la construction et l'exploitation d'une installation d'expérimentation à grande échelle chauffée électriquement qui sera utilisée pour tester les matériaux, les composants, les protocoles de maintenance, ainsi que les transitoires planifiés et accidentels qui peuvent se produire dans un LFR. KTH, en collaboration avec LeadCold et Uniper, a obtenu un financement pour le projet Solstice de l'Agence suédoise de l'énergie pour construire l'installation à Oskarshamn sur le site de la centrale nucléaire OKG. L'installation finalisera l'étude de sûreté et de performance du réacteur de recherche et de démonstration conçu dans SUNRISE. Les partenaires industriels du projet Solstice visent à assurer le bien-fondé de la commercialisation future de la technologie des réacteurs rapides au plomb. L'objectif stratégique est d'établir les SMR comme une solution durable et sûre pour une puissance de base planifiable et flexible, pour l'inscrire dans une société circulaire. Étant financièrement viable et évolutif, le marché mondial peut être adressé avec des produits et services tels que l'électricité, la chaleur de haute qualité, l'hydrogène, les biocarburants, les électrocarburants et les services auxiliaires.

Les réacteurs nucléaires avancés et durables, à sécurité passive et fabriqués en production automatisée, offrent tous les avantages des réacteurs nucléaires conventionnels mais sont nettement plus polyvalents et flexibles. Les SMR avancés peuvent devenir la solution qui permet d'introduire une production d'électricité climatiquement neutre à grande échelle tout en étant capable de fournir des avantages supplémentaires pour une société durable.

Attention, cet article paraîtra également dans la treizième édition de notre publication trimestrielle.

Accédez à la page de profil de ce partenaire pour en savoir plus sur lui

Enregistrez mon nom, mon adresse e-mail et mon site Web dans ce navigateur pour la prochaine fois que je commenterai.

D