Le réacteur nucléaire à sels fondus (RSF ; , MSR) est un concept de réacteur nucléaire dans lequel le combustible nucléaire se présente sous forme liquide, dissous dans du sel fondu (à ) qui joue à la fois le rôle de caloporteur et de barrière de confinement. Le réacteur peut être modéré par du graphite (produisant des neutrons thermiques) ou sans modérateur (neutrons rapides).
Le concept a été étudié en laboratoire pendant les années 1960, puis délaissé dans les années 1970 faute de financement et malgré des résultats probants. À partir des années 2000, il est à nouveau évalué, puis retenu dans le cadre du Forum international Génération IV. En 2011, il fait l'objet de recherches en vue d'un déploiement comme réacteur de quatrième génération, cependant sa date prévisionnelle d'industrialisation est plus éloignée que certains des autres concepts étudiés. De nombreuses conceptions de centrale nucléaire sont fondées sur ce type de réacteur, mais peu de prototypes ont été construits et aucun n'est en service depuis l'arrêt du réacteur expérimental à sels fondus situé à (États-Unis) en 1969. La Chine finance avec l'aide des États-Unis un ambitieux programme de recherche pour développer cette technique à l'échelle industrielle. De son côté, l'Union européenne a lancé différents projets depuis 2001 ; la France a lancé en 2022 le projet national ISAC.
Principe de fonctionnement Les réacteurs à sels fondus reposent sur l'utilisation d'un sel fondu, par exemple de fluorure de lithium (LiF) et de fluorure de béryllium (), servant à la fois de fluide caloporteur, de modérateur et de première barrière de confinement. Le réacteur prend la forme d'une cuve métallique contenant le sel à haute température (600 à ) mais à pression ambiante. La réaction nucléaire est déclenchée par la concentration en matière fissile dans le réacteur ou par le passage dans un bloc modérateur en graphite.
Le combustible fissile peut être de l', du plutonium ou de l', issus de la conversion du thorium. Un réacteur à sels fondus peut assurer lui-même sa surgénération à l'aide d'une couverture fertile contenant l'isotope fertile à irradier. Sur le plan chimique, des sels composés de chlorures pourraient être également utilisés, mais le chlore a le gros inconvénient de produire par activation neutronique du d'une période de , qui en fait un déchet à longue vie, alors que le fluor ne présente pas cet inconvénient. Une possibilité pour pallier l'activation du chlore contenu dans le sel est d'enrichir ce dernier en , un isotope qui est stable.
Il existe deux grandes familles de réacteurs à sels fondus.
Réacteurs à neutrons thermiques vignette|redresse=1.5|Schéma de principe d'un réacteur à sels fondus à modérateur.
Cette conception emploie un cœur composé d'un matériau modérateur, le plus souvent du graphite, percé de plusieurs canaux dans lesquels le sel combustible de fluorures circule. Le graphite est majoritairement choisi pour sa faible absorption de neutrons, sa tenue à haute température et sa capacité à résister à la corrosion du sel sans nécessiter de gaines qui détérioreraient le bilan neutronique du réacteur.
Un réacteur à sel fondu en spectre thermique combiné à un cycle du combustible thorium permet de surgénérer si sa conception minimise les fuites neutroniques et les captures parasites de neutrons sur les éléments composant le sel (limitant donc les compositions possibles), les produits de fission et sur le . Ceci nécessite cependant de traiter le sel combustible très rapidement pour en extraire les produits de fission et le si l'objectif est de maximiser le taux de surgénération. Ce dernier choix représente alors un risque de prolifération nucléaire substantiel.
Un des avantages majeurs des réacteurs à sels fondus en spectre thermique est le très faible inventaire fissile spécifique atteignable (jusqu'à , près de trois fois moins qu'un réacteur à eau pressurisée en cycle uranium). Les autres avantages incluent une dynamique du cœur plus lente du fait de leur spectre thermique, un faible risque de criticité accidentelle dû à la nécessité d'un modérateur pour rendre le système critique, et un retour d'expérience existant.
Les désavantages incluent un coefficient de contre-réactivité du modérateur potentiellement positif dans certaines configurations, les larges volumes de graphite irradiés et contaminés en fin de vie du réacteur, et la faible durée de vie du graphite sous la forte irradiation neutronique qu'il subit en cœur.
Le programme américain mené au Laboratoire national d'Oak Ridge jusqu'au milieu des années 1970 a développé de tels concepts de réacteurs dont deux versions du MSBR (), une confinant le thorium fertile dans une couverture pour maximiser la surgénération et l'autre mélangeant le thorium au sel combustible pour simplifier la conception du réacteur.
Réacteurs à neutrons rapides
vignette|redresse=1.5|Schéma de principe d'un réacteur à sel fondu à neutrons rapides.
Les réacteurs à sels fondus peuvent aussi être conçus comme réacteurs à neutrons rapides, les éléments du sel n'ayant pas un fort pouvoir modérant et le modérateur pouvant être omis. Dans ce cas, autant les sels de fluorures que les sels de chlorures peuvent être utilisés, la section efficace d'absorption du chlore devenant tolérable en spectre neutronique rapide. Les sections efficaces plus petites en spectre rapide ouvrent aussi la possibilité de concevoir un réacteur à sels fondus soit comme réacteur homogène à refroidissement externe, dans lesquels le cœur consiste en un simple volume rempli seulement de sel combustible (d'où le terme « homogène ») que l'on fait circuler à l'extérieur du cœur pour passer dans des échangeurs de chaleur, soit comme réacteur à refroidissement interne dans lequel l'échange de chaleur se fait en cœur et dans lequel le sel combustible est retenu dans des tubes que l'on refroidit par circulation d'un autre réfrigérant (par exemple un autre sel), ressemblant alors plus à un réacteur à combustible solide. Le refroidissement interne par contact direct dans lequel un fluide non-miscible dans le sel combustible est chauffé par contact direct avec celui-ci a aussi été étudié dans le passé, mais il présente des difficultés techniques particulières telles que la nécessité de séparer le réfrigérant du sel ou la tendance du réfrigérant à dissoudre certains produits de fissions et donc à devenir contaminé.
Les réacteurs à sels fondus en spectre rapide bénéficient des avantages des réacteurs à neutrons rapides tels que la possibilité d'utiliser certains déchets nucléaires comme combustible de départ (les transuraniens, c'est-à-dire neptunium, plutonium, américium et curium), réduisant la dangerosité des déchets nucléaires existant en les transmutant. Par rapport aux réacteurs en spectre thermique, le bilan neutronique est plus faiblement affecté par la présence des produits de fissions et le sel peut donc être retraité à une vitesse bien moindre.
La référence moderne est un réacteur homogène à refroidissement indirect et à sels fluorures issu des recherches du LPSC de Grenoble (CNRS). appelé MSFR () ainsi qu'un concept russe annexe appelé MOSART () destiné lui à la transmutation des éléments transuraniens. La puissance du réacteur est maîtrisée par la dilatation du sel : dès la conception du réacteur, le régime maximal est défini par la concentration en matière fissile et le volume du réacteur. Sous l'effet de la température, la dilatation du sel réduit la probabilité de fission et ralentit le réacteur jusqu'au point d'équilibre. Le concept associe au réacteur une usine de traitement du combustible usé, chargée de séparer les produits de fission au fur et à mesure de leur production en réacteur. Le débit de retraitement est plus ou moins rapide selon la configuration du réacteur, les réacteurs à neutrons rapides permettent de réduire le taux de captures stériles et donc de retraitement, de l'ordre de par jour pour le combustible et par jour par la couverture fertile.
Historique vignette|droite|redresse=1.5|Le réacteur nucléaire de Shippingport a, au cours d'une irradiation expérimentale, démontré la faisabilité de la surrégénération en spectre épithermique, avec un combustible sur support thorium.
Des recherches sur les réacteurs à sels fondus ont commencé aux États-Unis avec le projet d'avion à propulsion nucléaire (ARE), une recherche étudiant la faisabilité de réacteurs d'aéronefs. Ce projet visait un réacteur de avec une haute densité de puissance pour pouvoir être utilisé comme moteur dans un bombardier nucléaire. Le projet a donné lieu à plusieurs réacteurs expérimentaux, dont l'un fut un réacteur à sels fondus NaF-- (). Le modérateur était de l'oxyde de béryllium (BeO), le refroidissement secondaire était assuré par du sodium liquide et la température du cœur était de . Il a fonctionné pendant en 1954..
Dans les années 1960, la recherche sur les réacteurs à sels fondus a été essentiellement conduite par le laboratoire national d'Oak Ridge, une grande partie de ses travaux aboutissant au « Réacteur expérimental à sels fondus » (, MSRE). Le MSRE a été un réacteur d'essai de thermiques, destiné à simuler la neutronique (en neutrons épithermiques) du cœur d'un réacteur surgénérateur au thorium intrinsèquement sûr. Le MSRE a été critique en 1965 et a fonctionné quatre ans. Son carburant était un sel LiF--- (65-30-5-0,1), il était modéré au graphite pyrolytique et son liquide de refroidissement secondaire était du FLiBe (2LiF-). Il a atteint et été exploité pendant quatre ans avec un facteur de charge de 85 %, chiffre exceptionnel pour un réacteur nucléaire prototype. Des essais avec du combustible , et plutonium mélangé avec de l' ont été effectués. Ce prototype a notamment permis de valider la résistance à la corrosion de l'alliage Hastelloy-N (70 % Ni 16 % Mo 7 % Cr 5 % Fe)..
Le combustible liquide qui a été testé a démontré la faisabilité et le caractère très attractif d'un cycle du combustible nucléaire fondé sur le thorium, qui minimise les déchets, la plupart des déchets radioactifs produits ayant une demi-vie de moins de cinquante ans. D'autre part, la température de fonctionnement du réacteur aux environs de permet un bon rendement thermique des systèmes de conversion d'énergie alimentés.
Ces recherches ont abouti dans la période 1970-1976 à une conception MSR qui utiliserait le sel LiF -- (72-16-12-0,4) comme carburant, modéré par du graphite remplacé tous les quatre ans et utilisant du NaF- comme liquide de refroidissement secondaire, avec une température de cœur de . Ce projet n'a pas abouti, les réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium lui ont été préférés.
À partir des années 2000, le concept de réacteurs à sels fondus est à nouveau évalué, puis retenu dans le cadre du Forum international Génération IV, dont il constitue une des pistes de recherche.« Sels fondus et thorium : avenir du nucléaire ? », CNRS Le journal : .
De son côté, l'Union européenne a lancé différents projets depuis 2001, comme les projets EVOL (), SAMOFAR. (, c'est-à-dire « évaluation de sécurité du réacteur rapide à sels fondus ») et SAMOSAFER. (), portant sur l'évaluation de la sûreté des RSF, et plus récemment les projets MIMOSA. () et ENDURANCE. ().
En France, le CEA, le CNRS, EDF, Framatome et Orano ont lancé en 2022 le projet national ISAC () dans le cadre du plan de relance France 2030, visant à l'étude et l'esquisse numérique d'un réacteur à sels chlorures incinérateur d'américium..
Aspects technico-économiques Cette technique possède des différences importantes avec les autres filières nucléaires. A priori, elle réduit les critiques faites à la filière nucléaire, à savoir la sûreté, le coût, les déchets et les faibles réserves de combustibles. Ces points devront cependant être confirmés par les projets en cours afin de préciser et justifier la faisabilité commerciale de ce type de réacteur.
Compétitivité potentielle