Réacteur nucléaire piloté par accélérateur

Dans un réacteur ADS, aussi appelé réacteur hybride car couplant un accélérateur de particules et un réacteur nucléaire sous-critique, une partie des neutrons sont produits par spallation d'un noyau lourd (le plomb, l'eutectique Plomb-Bismuth ou le tungstène par exemple) par un faisceau de protons issus d'un accélérateur de particules. Ces neutrons issus des réactions de spallation vont alors provoquer des fissions dans le massif sous-critique entourant la cible de spallation. L'énergie de fission peut alors être récupérée de manière classique via un échangeur et une turbine.

L'ADS à caloporteur gaz (hélium par exemple) ou métal fondu (plomb par exemple) appartient à la famille des réacteurs à neutrons rapides (RNR) et peut être conçu pour une utilisation selon deux modes :

• Comme producteur d'énergie, en brûlant du plutonium, du thorium ou de l'uranium selon un cycle direct ou de surgénération pour développer un cycle du thorium. Ce mode a été largement promu sous l'appellation d'amplificateur d'énergie de C. Rubbia.
• Comme incinérateur (avec ou sans production d'énergie) où l'on "brûle" les actinides mineurs voire certains produits de fission issus du traitement du combustible nucléaire irradié.

Dans les deux modes, l'ensemble réacteur est sous-critique (généralement avec un niveau choisi par conception entre 0,95 et 0,98) et l'accélérateur amène et règle le flux neutronique à la criticité de 1 (comme incinérateur en revanche, l'accélérateur fait l'intégralité du travail de production de neutrons, d'où la modeste contribution énergétique). Ceci implique que toute réaction s'arrête dès la coupure du flux de l'accélérateur, d'où le nom de "pilotage par accélérateur". L'intensité du faisceau de protons va également compenser les variations de réactivité en fonctionnement.

Les systèmes ADS sont présentés comme plus sûrs que les réacteurs nucléaires critiques pour la raison simple que la coupure du faisceau de protons entraine l'arrêt des réactions de fission en chaîne.

À noter :

• Impossibilité de faire des bombes nucléaires avec les produits de fission.
• la valeur du k effectif est très proche de 1 (keff = 0,98 donc 2 000 pcm seulement d'anti-réactivité),
• pour une même énergie produite la puissance résiduelle est la même, or cette puissance résiduelle est, en bonne partie, à l'origine du risque de fusion du cœur en cas de défaut de refroidissement après l'arrêt du réacteur.

Les systèmes ADS demeurent intrinsèquement plus sûrs que les réacteurs sans accélérateur, car le cœur sous-critique induit un arrêt de la réaction en chaîne dès la coupure du faisceau de protons, et supprime les risques d'une divergence incontrôlée lors des états d'arrêt pour intervention ou rechargement.

L'intérêt d'un ADS réside dans sa faculté à produire des neutrons dans une large gamme d'énergie en fonction de celui du flux de protons issu de l'accélérateur. C'est cet accès à des sections efficaces de fission à hautes énergies inaccessibles en réacteur nucléaire à spectre thermique qui permet la transmutation par réaction de fission nucléaire (incinération) des actinides mineurs ou par réaction de capture neutronique.

Plusieurs expériences sont en cours afin de :

• valider la fiabilité opérationnelle d'accélérateurs de protons d'1 GeV ;
• étudier la longévité et les matériaux des fenêtres d'interface entre le vide de l'accélérateur et l'eutectique plomb-bismuth chaud sous pression ;
• dresser le bilan des produits de fission involontaire de la spallation du bismuth ou du plomb à différents niveaux d'énergie du flux de l'accélérateur ;
• étudier les configurations géométriques optimales de cœurs en générateur et en incinérateur de déchets nucléaires.

D'autres configurations d'ADS à caloporteur gaz et cibles de spallation interchangeables ou sans fenêtre sont aussi à l'étude.

En 2004, un réacteur hybride est en développement au sein du programme nucléaire indien [1].