Un réacteur à neutrons rapides (RNR, en anglais ou , FBR) est un réacteur nucléaire qui utilise des neutrons rapides, par opposition aux réacteurs à neutrons thermiques.

Sous la forme de réacteurs électrogènes basés sur la production de vapeur d'eau, plusieurs caloporteurs peuvent être utilisés, tel que le sodium, le plomb ou les sels fondus. Depuis 2001, la recherche sur les réacteurs à neutrons rapides est coordonnée dans le cadre du Forum international Génération IV. Les RNR correspondent à trois des six types de réacteurs nucléaires de .

En 2020, trois réacteurs à neutrons rapides alimentent un réseau électrique : les réacteurs russes Beloyarsk-3 (BN-600) et Beloyarsk-4 (BN-800) et le CEFR chinois. Un réacteur s'approche de la phase opérationnelle, le PFBR à Kalpakkam, en Inde, et un autre est en construction en Chine, le CFR-600. Huit sont à l'arrêt définitif.

Conception

Stratégies d'utilisation des neutrons rapides Les neutrons émis lors de la fission d'un actinide (comme l'uranium, le thorium ou le plutonium) ont initialement une vitesse élevée qui limite la probabilité qu'ils interagissent avec la matière fissile et conduisent à une réaction en chaîne..

Une première solution est de les ralentir (« thermaliser ») par un modérateur (eau, graphite ou eau lourde) qui leur fait perdre leur énergie cinétique par chocs successifs. Ils sont alors appelés neutrons thermiques, .. C'est cette solution qui est utilisée dans les réacteurs actuels (de types REP, REB...).

L'autre solution est de choisir délibérément de ne pas incorporer de modérateur. On a alors des neutrons rapides, dont l'énergie est élevée. Ces neutrons rapides ont l'avantage de faire fissionner tous les noyaux lourds et non les seuls matériaux fissiles. L'utilisation de neutrons rapides limite également les captures stériles (c'est-à-dire les captures ne donnant pas lieu à une nouvelle fission), ce qui tend à améliorer l'efficacité du réacteur.

En revanche, le taux de fuite des neutrons hors du cœur (neutrons qui sont donc perdus pour le réacteur) est alors plus élevé et la probabilité de fission par neutrons rapides plus faible que dans un réacteur à neutrons thermiques. Il est donc nécessaire d'avoir un cœur plus enrichi en matériau fissile. Par ailleurs, des matériaux fertiles peuvent être disposés en périphérie du cœur (on parle de « couverture fertile ») de manière à utiliser les neutrons de fuite. C'est le principe de la surgénération : récupérer les neutrons sortants pour transmuter un matériau a priori inutilisable (fertile mais non fissile) en matériau fissile.

Architecture Les réacteurs à métal liquide peuvent être de type piscine ou de type boucle. L'architecture piscine permet de maintenir en permanence le caloporteur du circuit primaire au sein de la cuve principale (les pompes primaires et les échangeurs intermédiaires sont plongés dans la cuve principale), alors que les réacteurs à boucles utilisent des pompes primaires et des tuyauteries à l'extérieur de la cuve et des échangeurs externes.

En 2007, tous les RNR en fonctionnement sont conçus avec un circuit de refroidissement par du sodium liquide. C'est la filière des réacteurs nucléaires à neutrons rapides et à caloporteur sodium. Bien qu'inflammable au contact de l'air, corrosif et réagissant violemment au contact de l'eau, le sodium est privilégié pour les raisons suivantes : à la différence de l'eau, il freine peu les neutrons et les capture peu. La masse atomique du sodium est de 23, supérieure à celle de l'oxygène du combustible oxyde (16) et de l'eau, très supérieure à celle de l'hydrogène de l'eau (1) capacité calorifique massique importante contre pour l'eau conductivité thermique élevée = contre pour l'eau point de fusion bas ().

D'autres caloporteurs métalliques sont étudiés, par exemple l'alliage Pb-Bi ou le plomb.

Risque sodium Dans les réacteurs à neutrons rapides à caloporteur sodium (RNR-Na), le sodium liquide peut s'enflammer au contact de l'air, désagréger le béton et engendrer une explosion au contact de l'eau. C'est ce qui s'est produit lors de l'incendie qui est survenu dans le réacteur de Monju (Japon) en La Gazette nucléaire, n°157/158, mai 1997..

Pour éviter le risque de réaction sodium / eau, on adopte plusieurs précautions : adjonction d'un circuit de refroidissement supplémentaire, appelé circuit secondaire ou intermédiaire, destiné à éliminer la possibilité de contact entre le sodium primaire, radioactif, et l'eau du circuit eau/vapeur ; mesures en sortie des générateurs de vapeur d'éventuelles traces de dihydrogène dans le sodium, produit par la réaction entre le sodium et l'eau qui aurait traversé les tubes du générateur de vapeur.

Pour limiter les conséquences d'inflammation au contact de l'air : surveillance systématique des risques de fissures sur les canalisations du circuit secondaire ; détection de présence de sodium fuyard au contact des tuyauteries ; inertage des locaux dans lesquels circulent les tuyauteries, avec de l'azote.

Aspects économiques

Aspects positifs La filière s'est développée à l'origine dans le but de réduire le coût de production du combustible utilisé dans les centrales, en évitant l'étape de l'enrichissement de l'uranium, et parce que l'on craignait dans les années 1960 une pénurie des réserves d'uranium. La justification économique du réacteur à neutrons rapides vient surtout de sa capacité à générer ou régénérer du plutonium en plus de l'énergie produiteRéacteurs RNR : Les réacteurs à neutrons rapides : la filière du futur ?, sur laradioactivite.com., ce plutonium pouvant ensuite être en partie réutilisé dans le réacteur, recyclé en plutonium militaire, ou transformé en combustible MOX (mélange d'uranium et de plutonium).

En France, le réacteur à neutrons rapides a été conçu dans l'optique d'utiliser le plutonium militaire dans des réacteurs civils. L'arrêt du réacteur Superphénix a conduit à développer une filière MOX pour alimenter, d'une part, certains réacteurs de la filière REP française qui ont été adaptés afin de pouvoir utiliser ce type de combustible (22 réacteurs sur 58 réacteurs en 2013)., d'autre part les centrales les plus récentes comme l'EPR, qui par conception pourra aussi fonctionner uniquement avec du combustible MOXChristian Bataille et Robert Galley, L'aval du cycle nucléaire, Office parlementaire d'évaluation des choix scientifiques et technologiques, Sénat, rapport , 1998, chapitre 1.4, section « Le Mox dans les réacteurs de : un problème analogue à celui des réacteurs ».. Ce combustible a l'inconvénient de produire plus de déchets long termes que le plutonium dans un réacteur à neutron rapide, .

La technologie est mise en avant pour sa capacité potentielle à recycler les déchets à vie longue, capacité qui doit être testée à partir de 2024 dans la centrale russe BN-800..

Elle est aussi présentée comme une filière d'entrée possible pour l'utilisation du thorium comme combustible nucléaire.. Des procédés concurrents sont potentiellement beaucoup moins risqués, la production d'uranium U233 fertile à partir du thorium, décrit par le physicien Carlo Rubbia, ou l'utilisation de plutonium associé au thorium, comme dans le cas du réacteur nucléaire de Shippingport, ou des réacteurs de type CANDU...

Aspects négatifs Les opposants aux surgénérateurs soulignent qu'il faut environ pour arriver à doubler la quantité de plutonium initialement apportée à un réacteur à neutrons rapides (temps de doublementIntroduction au génie nucléaire, .). Compte tenu de la décroissance des réserves d'uranium à partir de 2025, en l'état actuel des gisements connus"Site Futura24 : plutonium et pénurie d'uranium", il faudrait remplacer progressivement le parc de réacteurs à eau pressurisée par un parc de surgénérateurs, pour disposer d'assez de combustible plutonium. En effet, seules dix tonnes de plutonium sont produites chaque année par les centrales françaises de la filière traditionnelleUn combustible nucléaire redécouvert : le thorium, SFEN..

La rentabilité à long terme apparaît incertaine, en particulier à cause d'une technicité importante liée à la gestion de risques plus significatifs, que pour la filière traditionnelle. Ainsi, à titre d'exemple, le démantèlement de Superphénix est prévu à ce jour pour durer La déconstruction de Superphenix , EDF., tandis que pour le démantèlement d'une centrale ordinaire, les travaux principaux prennent une vingtaine d'années, "Centrales nucléaires : Démantèlement impossible ?", sur YouTube, 8 min 30 s.

La rentabilité de la filière MOX issue de la surgénération a été contestée par l'Académie des sciences des États-Unis. Elle a en effet estimé, en 1995Institute for Energy and Environmental Research: le Plutonium, que celle-ci n'était pas rentable au prix du marché de l'uranium. En 2001, la surgénération a d'ailleurs été arrêtée aux États-Unis"Nuklear Forum 2001""Journal, La Recherche 2002". La filière MOX issue du traitement du combustible nucléaire usé des centrales classiques est par contre en développement dans le même pays puisqu'un centre de production doit ouvrir en 2016 à Savannah RiverTristan Vey, « La filière MOX, un choix stratégique vieux de 30 ans », Le Figaro, 17 novembre 2011.. Une commission d'enquête du parlement français, sur les coûts du nucléaire a conclu en 2014, qu'elle avait une grande difficulté à évaluer l'intérêt économique du MOX par rapport au simple stockage des déchets, mais que dans le meilleur des cas « il ne revenait pas plus cher de stocker directement le combustible usé que de le retraiter », la filière MOX impliquant des risques supérieurs..

Expérimentations mondiales À ce jour (), huit réacteurs rapides sont à l'arrêt définitif, dont la puissance totale est de ., aux États-Unis, au Royaume-Uni, en France, en Allemagne, au Kazakhstan et au Japon., leur emploi ayant été jugée trop dangereuxAssemblée nationale, Commission d'enquête sur Superphénix et la filière des réacteurs à neutrons rapides, 1998 (en ligne), et favorisant la prolifération parce qu'il produise du plutonium .

Seuls trois réacteurs à neutrons rapides alimentent un réseau électrique. : les réacteurs russes Beloyarsk-3 (BN-600, de ). et Beloyarsk-4 (BN-800, de ).. et le CEFR chinois (), près de Pékin..

Deux RNR sont en construction, en . L'un s'approche de la phase opérationnelle., le PFBR indien () à Kalpakkam. Recherche des réacteurs de type FBR, Reactor Database, Association nucléaire mondiale.. L'autre est construit par la Chine, démonstrateur de type CFR-600.

Huit autres réacteurs rapides sont à l'arrêt définitif., aux États-Unis, au Royaume-Uni, en France, en Allemagne, au Kazakhstan et au Japon.

Ce type de réacteur nucléaire fait partie des filières examinées par le Forum international Generation IV dans le but de concevoir les réacteurs nucléaires futurs.

Allemagne KNK II (), mis en service en 1978 ; SNR 300 (), un RNR-Na est construit en 1973 à Kalkar en Basse-Rhénanie. Après de nombreuses protestations, il n'est pas mis en service comme prévu en 1987.

Belgique MYRRHA, projet de réacteur rapide refroidi au plomb liquide piloté par le SCK-CEN.

Chine Le réacteur à neutrons rapides expérimental chinois (CEFR), prototype chinois de RNR, a été construit par les russes OKBM Afrikantov, OKB Gidopress, Nikiet et l'Institut Kurchatov près de Pékin. Ce premier réacteur expérimental chinois à neutrons rapides de quatrième génération fournit une puissance électrique de (). Il a effectué sa première divergence le Criticality for China’s first fast reactor, Nuclear Engineering, 21 juillet 2010. et a été couplé au réseau le La Chine met en service un réacteur de quatrième génération, Le Point, 22 juillet 2011..