MSR et sécurité : quelles réactions en cas d'accident ?

Les réacteurs à eau ordinaire (LWR) que nous connaissons fonctionnent sous une forte pression : 155 bars pour les réacteurs à eau pressurisée communs en France, 75 bars pour les réacteurs à eau bouillante qui équipent une portion du parc nucléaire allemand et suisse. Cette pression est nécessaire pour maintenir l’eau du système de refroidissement à l’état liquide alors qu’elle circule dans un réacteur à plus de 300° : sans pressurisation, l’eau atteindrait son point d’ébullition dès 100° et les bulles de vapeur causeraient des « sautes » dans le refroidissement du réacteur.

Dans un MSR, les sels fondus n’atteignent pas leur point d’ébullition avant 1800°, alors que le réacteur fonctionne autour de 750°. Il n’y donc pas besoin de le mettre sous pression : les matériaux sont beaucoup moins sollicités.

En cas d’accident, les MSR se comportent très différemment des LWR 

- Le MSR n’étant pas sous pression, sa structure est beaucoup moins fragile. Et comme ce sont des sels fondus et non de l’eau qui circulent, les risques d'explosions de vapeur comme à Tchernobyl sont supprimés.

- Dans tout réacteur, les produits de fission sont les éléments les plus radioactifs du combustible. Dans un LWR, en cas d’accident avec explosion (Tchernobyl, Fukushima) les produits de fission, notamment le Cesium 137 et l’Iode 131, peuvent être expulsés dans l’atmosphère et contaminer l’environnement. Dans un MSR, du fait du recyclage continu du combustible, la quantité de produits de fission présents dans le réacteur au moment d’un accident est faible.

- Dans un LWR, si les gaines des combustibles viennent à céder, les produits de fission sont libérés. Dans un MSR, les produits de fission présents dans le coeur sont intimement liés au sel du fait des propriétés chimiques mêmes des sels. Même à très haute température, les produits de fissions restent emprisonnés dans un sel fondu et ne sont pas vaporisés dans l’atmosphère.

- Les sels combustibles se solidifient dès que la température tombe sous les 600° :  en cas d’accident, si du sel combustible devait d’échapper de la cuve du réacteur, il formerait rapidement une masse solide, emprisonnant matières fissiles et déchets. Une éventuelle défaillance du reste de la centrale n’affecte donc pas la barrière de confinement formée par le sel.

Comme les sels réagissent très peu avec l'air et se dissolvent très mal dans l'eau il n'y a pas non plus de risque d’incendie ou d’explosion. Même en cas de destruction volontaire de la cuve (bombardement, attentat), les conséquences radiologiques restent très limitées et sans comparaison avec ce qui se passerait dans un réacteur à combustible solide.

Un réacteur de physiciens

Les réacteurs à sels fondus sont souvent désignés comme « des réacteurs de physiciens » : ils sont en effet conçus pour que leur sécurité repose sur les lois naturelles de la physique plutôt que sur des dispositifs extérieurs complexes.

Dans les réacteurs que nous connaissons, les système de sécurité sont alimentés électriquement. Lorsqu’à Fukushima le tsunami a coupé l’alimentation électrique et inondé les générateurs diésels de secours, les pompes chargées de faire circuler l’eau du refroidissement du réacteur se sont arrêtées. Les conséquences avaient été la surchauffe du réacteur puis l’explosion.

Or dans un LWR, si le refroidissement vient à faire défaut, on ne peut pas non plus évacuer le combustible pour empêcher qu’il monte en température : le déchargement du combustible est une opération lourde et complexe qu’on ne peut improviser.

Dans un MSR, on peut à tout moment évacuer le combustible parce qu’il est sous forme liquide. Au fond de la cuve du réacteur, un « bouchon » de sel est maintenu à l’état solide par un système de réfrigération. En cas de perte de l’alimentation électrique, le système de réfrigération s’arrête, la température du réacteur fait fondre le bouchon et le combustible s’écoule passivement, par gravité naturelle, dans une citerne en contre-bas.

Ce réservoir de vidange, « drain tank » en anglais, possède une forme très différente de la cuve du réacteur :  le sel s’y étale, de sorte que non seulement le refroidissement naturel s’en trouve accéléré, mais aussi les noyaux de la matière fissile se retrouvent trop éloignés les uns des autres pour pouvoir maintenir la réaction en chaîne. La fission s’arrête par elle-même, tandis que le sel refroidi. C’est ce qu’on appelle un système de sécurité passif, qui n’exige ni alimentation électrique, ni intervention humaine : il repose simplement sur la force de gravité et sur les lois de la thermodynamique et de la neutronique.

Autre exemple : dans un LWR, l’accident le plus redouté est la fonte du coeur. En fondant, le combustible se contracte en une masse informe. L’eau censée refroidir le combustible ne peut plus circuler entre les assemblages, mais seulement autour d’une masse fondue : le refroidissement s’en trouve compromis. D’autre part, la fusion du combustible compacte la matière fissile, qui se retrouve beaucoup plus concentrée : cette densité accrue accélère la réaction en chaîne, donc la température.

Dans un MSR, le coeur est déjà fondu. La matière fissile dans le coeur du réacteur est d’emblée au niveau maximal de sa concentration : impossible de la compacter davantage et de créer un accident de criticité, c’est à dire une réaction en chaîne non contrôlée.

Cette forme liquide du combustible assure un autre avantage de taille : le réacteur ne peut en aucun cas s’emballer comme à Tchernobyl. Le réacteur ukrainien, au moment de l’accident, est entré dans un cercle vicieux, où plus la température monte, plus la réaction en chaîne s’accélère, plus la réaction en chaîne s’accélère, plus la température monte et ainsi de suite.

Les MSR, grâce au sel fondu, bénéficient au contraire d’un cercle vertueux : plus la température monte, plus le sel se dilate, moins la matière fissile est concentrée, et donc moins la réaction en chaîne peut se maintenir. Un pic de chaleur cause en fait l’arrêt de la réaction en chaîne dans un MSR.

Là encore, ce sont les lois naturelles de la physique qui assurent la stabilité et la sûreté d’un MSR. De ce fait, nul besoin de barres de contrôle pour arrêter un MSR : si pour quelque raison le réacteur devait surchauffer, il s’arrêterait aussitôt par lui-même.

Pour une simulation « scientifique » de ce qui se passe dans un MSR, c’est ici . Axel Laureau, jeune chercheur en nucléaire, y explique les calculs qu’il a réalisés durant sa thèse de doctorat. Scénario : que se passe-t-il si, à basse puissance, on refroidit exagérément le réacteur MSFR ?

La sécurité d’un MSR repose donc sur les lois de la physique et non plus sur des équipements susceptibles d'être détruits, désactivés ou de tomber en panne. 

La sécurité d’un MSR repose donc sur les lois de la physique et non plus sur des équipements susceptibles d'être détruits, désactivés ou de tomber en panne.