Le retraitement du combustible nucléaire usé aux États-Unis pourrait faire son retour - voici pourquoi

Le ministère de l'Énergie (DOE) a intensifié ses efforts pour explorer le recyclage du combustible nucléaire usé (SNF) ou du combustible nucléaire irradié (UNF) de la flotte nationale de réacteurs à eau légère (LWR), distribuant 38 millions de dollars en subventions fédérales à une douzaine de projets le 21 octobre.

Les équipes recevront un financement dans le cadre du programme "Converting UNF Radioisotopes Into Energy" (CURIE) du DOE lancé en mars 2022 pour travailler sur des projets qui feront progresser le recyclage du SNF. Les projets chercheront à réduire le volume de déchets de haute activité (HLW) qui nécessiteront une élimination permanente, mais ils fourniront également potentiellement des matières premières qui pourraient être utilisées dans les réacteurs avancés nationaux, a déclaré le DOE.

Les récompenses représentent une avancée cruciale pour la stratégie émergente du pays pour faire face aux SNF de sa flotte de LWR, dont la plupart sont en stockage temporaire, en attente de disposition finale. Jusqu'à présent, l'industrie nucléaire a stocké en toute sécurité 88 500 tonnes métriques de SNF et de DHA commerciaux dans des piscines de combustible usé et des fûts secs sur 76 sites de réacteurs en exploitation et déclassés dans 35 États, mais de nombreux experts estiment que cette approche est très inefficace et non durable. Poussé par les incertitudes de disposition et les inquiétudes concernant les futurs approvisionnements avancés en combustible pour les réacteurs nucléaires, le financement fédéral institue un nouvel élan pour le retraitement commercial des SNF, que l'agence espère être économiquement viable et résistant à la prolifération.

Les efforts divergent des ambitions de longue date des États-Unis de faire face à l'élimination des SNF par une élimination directe dans un dépôt géologique conçu pour contenir les dangers résiduels pendant 100 000 ans ou plus. En raison en partie d'une impasse politique au Congrès et du manquement du DOE depuis des décennies à un "contrat standard" pour commencer à éliminer les SNF comme l'exige la loi de 1982 sur la politique des déchets nucléaires (NWPA), l'élimination géologique à Yucca Mountain, Nevada, s'est arrêtée. Le DOE a récemment commencé à mettre en œuvre un processus d'implantation basé sur le consentement pour une installation de stockage provisoire. Ces approches, cependant, s'adressent à un cycle du combustible à passage unique.

Bien qu'il ne fasse pas encore partie d'une stratégie officielle en matière de déchets nucléaires, le programme CURIE de l'Agence pour les projets de recherche avancée du DOE-Énergie (ARPA-E) a entrepris d'explorer un cycle nucléaire fermé en permettant un retraitement commercialement viable des SNF de la flotte actuelle de REO.

CURIE envisage que si les principales lacunes ou obstacles sont résolus dans les technologies de retraitement, la surveillance des processus et la conception des installations, le retraitement commercial pourrait prospérer. Le programme postule que le retraitement des SNF pour récupérer les actinides réutilisables et les recycler dans un nouveau combustible a le potentiel "d'améliorer l'utilisation du combustible - en particulier lorsqu'il est associé à des réacteurs rapides avancés - et de réduire considérablement le volume de DHA nécessitant une élimination".

La mesure est remarquable car alors que les États-Unis ont exploré le retraitement pendant des décennies - à commencer par la récupération du plutonium par le projet Manhattan de la Seconde Guerre mondiale à partir de combustible d'uranium métallique irradié déchargé des réacteurs de production de Hanford - les tentatives de retraitement commercial ont rencontré des problèmes techniques, économiques et réglementaires. Et bien que les États-Unis aient envisagé pendant des décennies l'option du retraitement comme voie potentielle à suivre, les priorités de recherche sur les déchets nucléaires ces dernières années ont fluctué sous différentes administrations (voir encadré, "Reprocessing's Re-Emergence as a Nuclear Waste Pathway").

Le gouvernement américain a initialement développé la technologie de retraitement dans le cadre des efforts de la Seconde Guerre mondiale pour développer la bombe atomique, mais le retraitement du combustible nucléaire usé (SNF) est devenu une voie essentielle pour faire face aux futures pénuries d'approvisionnement en combustible nucléaire au cours des premières étapes de l'énergie nucléaire commerciale - des années 1950 à la fin des années 1970. En partie à cause des approvisionnements incertains en uranium dans les années 1970, des programmes de recherche sur les réacteurs surgénérateurs ont vu le jour dans plusieurs pays pour explorer les capacités de génération des réacteurs à neutrons rapides. Les surgénérateurs ont promis de convertir l'abondance d'uranium-238 (U-238) en un combustible utilisable (plutonium-239), de produire plus de combustible utilisable qu'ils n'en ont consommé et d'utiliser 60 % ou plus de la teneur énergétique du combustible à l'uranium.

Après que la Commission de l'énergie atomique (AEC, le prédécesseur de la Commission de réglementation nucléaire [NRC]) ait exprimé son intention de se retirer de la fourniture de services de retraitement nucléaire pour SNF en 1957, le développement de l'industrie privée s'est accéléré jusqu'en 1976. Alors que le développement et la construction de quatre grandes usines de retraitement commerciales ont été lancées, une seule installation de retraitement commerciale a été construite et exploitée aux États-Unis, l'usine West Valley de Nuclear Fuel Service près de Buffalo, New York. L'installation a fonctionné de 1966 à 1972, mais elle n'a jamais traité de SNF commercial et a finalement été fermée en raison d'exigences réglementaires plus strictes.

En 1976, l'administration Ford a déclaré que les États-Unis ne devraient plus considérer le retraitement du combustible nucléaire usé pour produire du plutonium comme une "étape nécessaire et inévitable du cycle du combustible nucléaire". En 1977, l'administration Carter a annoncé un report "indéfini" du retraitement commercial et du recyclage du plutonium produit dans les programmes nucléaires américains. Alors que l'administration Reagan en 1981 a levé les interdictions indéfinies sur le retraitement commercial, l'administration du président George HW Bush a interrompu le retraitement des armes dans une déclaration de politique sur la non-prolifération nucléaire en 1992. Cette même année, l'administration a définitivement fermé l'usine fédérale de retraitement de l'usine d'extraction de plutonium et d'uranium (PUREX) à Hanford, Washington.

En 1993, l'administration Clinton a déclaré que les États-Unis "n'encouragent pas l'utilisation civile du plutonium et, par conséquent, ne s'engagent pas eux-mêmes dans le retraitement du plutonium à des fins nucléaires ou explosives". Cependant, dans sa politique énergétique nationale de 2001, l'administration George W. Bush a exhorté à envisager (en collaboration avec des partenaires internationaux dotés de cycles du combustible hautement développés) des technologies de retraitement et de traitement du combustible qui sont "plus propres, plus efficaces, moins gourmandes en déchets et plus résistantes à la prolifération". Sous l'administration Bush, le Département de l'énergie (DOE) a également lancé des travaux en vue d'une démonstration à l'échelle technique du processus de séparation UREX+.

L'administration Obama, cependant, a jugé le retraitement avec la technologie existante "non économique", bien qu'elle ait souligné que le retraitement ne réduisait pas de manière significative le fardeau des déchets. Il a également suggéré que le retraitement du combustible nucléaire usé avait entraîné "des stocks importants et croissants de plutonium séparé" en tant que sous-produit, représentant "l'un de nos plus grands problèmes de non-prolifération". L'administration s'est plutôt fait le champion du stockage provisoire régional ou international.

Sous l'administration Trump, le DOE a de nouveau souligné les avantages de la recherche et du développement (R&D) sur le cycle du combustible. En 2018, l'Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) du DOE a créé le programme MEITNER (Modeling-Enhanced Innovations Trailblazing Nuclear Energy Reinvigoration), encourageant « repenser la manière dont les éléments du système de réacteur nucléaire s'emboîtent ». Et en 2019, l'ARPA-E a lancé le programme Generating Electricity Managed by Intelligent Nuclear Assets (GEMINA), visant à développer une technologie de jumeau numérique pour les réacteurs nucléaires avancés et à transformer les systèmes d'exploitation et de maintenance dans la prochaine génération de centrales nucléaires.

L'ARPA-E a poursuivi ce rythme sous l'administration Biden. Chargée de fournir "des solutions transformatrices pour améliorer la gestion, le nettoyage et l'élimination des déchets radioactifs et du combustible nucléaire usé" par la loi de réautorisation ARPA-E de 2019, l'agence a lancé en mai 2021 le programme Optimisation des déchets nucléaires et des systèmes avancés d'élimination des réacteurs (ONWARDS). Grâce à ONWARDS, l'ARPA-E prévoit de développer et de démontrer « des technologies révolutionnaires qui faciliteront une réduction de 10 fois de la génération de volume de déchets [de réacteurs avancés] ou de l'empreinte du dépôt ».

En mars 2022, l'ARPA-E a déployé le programme Converting UNF Radioisotopes Into Energy (CURIE). CURIE - qui honore la physicienne et chimiste Marie Curie - cherche à développer des séparations innovantes et résistantes à la prolifération d'éléments à longue durée de vie, tels que le plutonium, qui pourraient être transformés en nouveau combustible et "transmutés" en isotopes radioactifs commerciaux à durée de vie plus courte et en minéraux critiques. Mais CURIE prend également en charge les technologies de surveillance en ligne et de comptabilité des matériaux. "CURIE alimentera des réacteurs avancés et fournira d'importants éléments d'énergie propre, tout en réduisant considérablement les déchets", a déclaré le Dr Jennifer Gerbi, directrice par intérim de l'ARPA-E, en mars. "Avec ce nouveau programme, nous mettons l'accent sur les garanties et la réduction des coûts tout en offrant des options de technologie d'énergie propre pour l'avenir."

Le cycle du combustible nucléaire fermé proposé par CURIE envisage le retraitement de l'UNF, essentiellement en séparant l'UNF pour récupérer les actinides réutilisables, dont l'uranium et le plutonium, puis en les recyclant dans un nouveau combustible.

Historiquement, les installations de retraitement commerciales - comme La Hague en France - ont utilisé un procédé basé sur l'extraction par solvant développé en 1950, le procédé de réduction-extraction de l'uranium et du plutonium (PUREX), pour récupérer les produits de l'uranium et du plutonium (sous forme de trioxyde d'uranium et de dioxyde de plutonium). "Le produit de dioxyde de plutonium sert de matière première qui est mélangée à de l'oxyde d'uranium pour fabriquer du combustible à oxyde mixte (MOX), qui est utilisé par les LWR", explique le DOE. Le procédé PUREX reste la méthode standard de séparation UNF et la seule méthode actuellement pratiquée à l'échelle commerciale et industrielle.

Alors que les États-Unis ont marqué plusieurs jalons précoces dans le retraitement, d'autres pays, dont la France, le Royaume-Uni, le Japon, la Russie et la Chine, ont été le fer de lance des progrès. Certains ont déjà établi des applications commerciales de recyclage.

La Russie, notamment, a annoncé le 9 septembre avoir entièrement chargé le cœur de son réacteur rapide BN-800 de 820 MWe avec du combustible MOX uranium-plutonium. Le combustible MOX russe comprend "de l'oxyde de plutonium élevé dans des réacteurs commerciaux et de l'oxyde d'uranium appauvri qui provient de la défluoration de l'hexafluorure d'uranium appauvri (UF6), les soi-disant résidus secondaires des installations d'enrichissement d'uranium". La Chine a également annoncé plusieurs jalons de retraitement. Après l'achèvement des tests dans une usine pilote PUREX en 2015, la Chine a exploré des plans pour commencer le retraitement de l'UNF dans une installation commerciale plus grande. Il construirait en parallèle deux installations MOX.

Dans le cadre de son programme CURIE, l'ARPA-E définit une voie pour développer des technologies de séparation "innovantes", des techniques de surveillance des processus pour les matières nucléaires spéciales, ainsi que des conceptions d'équipements qui "amélioreront considérablement l'économie et la surveillance des processus des technologies de retraitement tout en réduisant considérablement le volume de DHA des LWR UNF nécessitant une élimination". Programme plus ciblé que ONWARDS, qui cherche également à minimiser les quantités de DHA, CURIE explorera plusieurs technologies de retraitement, notamment le traitement aqueux, le pyrotraitement et la volatilité des fluorures.

Par rapport à ONWARDS, CURIE définit également des mesures notables liées aux coûts. Parmi ceux-ci, il faut maintenir les coûts d'élimination dans la fourchette de 0,1 ¢/kWh, mais fournir un coût de carburant de 1 ¢/kWh pour "une installation de 200 tonnes métriques de métaux lourds [MTHM]/an nth-of-a-kind (NOAK)". C'est important étant donné que les estimations de coûts pour une installation de retraitement à grande échelle basée sur PUREX oscillent actuellement à 20 milliards de dollars.

En outre, CURIE vise des approches de surveillance in situ des processus spéciaux de matières nucléaires qui peuvent prédire (avec une incertitude de 1 %) la comptabilité matière post-processus. Il travaillera également pour permettre des séparations UNF "qui ne produisent pas de flux de plutonium pur".

Ces mesures soutiendront "une technologie de retraitement commercialement viable qui fournirait une charge d'alimentation précieuse [pour les réacteurs avancés] et la capacité de récupérer les produits de fission d'intérêt (par exemple, les métaux précieux et les radio-isotopes médicaux) tout en minimisant l'impact des déchets HA du pays", a déclaré l'agence.

"Compte tenu des progrès des technologies de séparation, de la comptabilité des matériaux et des technologies de surveillance en ligne, ainsi que de la conception des équipements, il existe des opportunités d'améliorer considérablement l'économie des installations de retraitement en réduisant l'empreinte de l'installation, en modularisant les opérations et la construction des unités, en réduisant les flux de déchets, en facilitant la conformité réglementaire et en permettant une comptabilité opportune et précise des matières nucléaires pour les opérations unitaires", ajoute-t-il.

L'accent mis par CURIE sur le développement de matières premières avancées pour réacteurs dérivées de LWR UNF retraité est particulièrement remarquable étant donné les inquiétudes émergeant du domaine en plein essor des développeurs de réacteurs avancés quant à la manière dont ils s'approvisionneront en uranium faiblement enrichi à haut dosage (HALEU), une forme d'uranium 235 combustible enrichi à 20%. De nombreuses conceptions de réacteurs nucléaires avancés, dont neuf des 10 conceptions attribuées dans le cadre du programme de démonstration de réacteurs avancés (ARDP) du DOE, nécessitent HALEU.

Cependant, HALEU n'est actuellement disponible qu'à partir de deux sources : des quantités limitées du DOE via la réduction des stocks de matériaux existants, et des approvisionnements commerciaux via TENEX, une société de combustible nucléaire appartenant à la société d'État russe Rosatom.

Alors que les États-Unis ont, pour l'instant, cessé d'imposer des sanctions sur l'uranium russe après l'agression russe en Ukraine, les États-Unis reconnaissent que la dépendance au combustible russe pour le nucléaire avancé pose plusieurs risques inhérents. Il s'agit notamment des ruptures d'approvisionnement et des risques généraux pour la compétitivité des exportations, ainsi que d'une propagation "involontaire" de l'influence russe ou chinoise. Mais à moins d'actions dramatiques à court terme de la part des États-Unis, "les développeurs de réacteurs avancés n'ont essentiellement pas d'autre choix que de s'appuyer initialement sur HALEU fourni par la Russie, en particulier compte tenu des délais accélérés pour leurs premières démonstrations et unités", prévient le groupe de réflexion Third Way.

Jusqu'à présent, au moins deux installations américaines pourraient être autorisées à enrichir HALEU d'ici le déploiement des réacteurs avancés. Centrus Energy, qui a reçu un prix de 115 millions de dollars du DOE pour démontrer la production de HALEU dans son installation de Piketon, Ohio, et la seule licence de la Commission de réglementation nucléaire (NRC) du pays pour la production de HALEU, a déclaré en août à POWER qu'il avait terminé la construction de la centrifugeuse et atteint toutes les autres étapes du programme comme requis d'ici juin 2022. Les opérations, cependant, ont été retardées en raison de contraintes de la chaîne d'approvisionnement pour l'obtention de cylindres de stockage HALEU.

En avril 2022, le DOE a modifié son contrat HALEU pour prolonger la période d'exécution jusqu'au 30 novembre 2022. Centrus a déclaré qu'il prévoyait également de soumettre une offre à la demande de propositions du DOE de juin 2022 pour un contrat à frais partagés 50/50 pour compléter la cascade et produire 20 kilogrammes de HALEU. "Une fois que 20 kg de HALEU auront été produits, le contrat de base passera à un contrat de coût plus incitatif pour la production de 900 kg sur la période d'un an suivante", mais le DOE inclut des options pour prolonger les performances jusqu'à neuf ans, a déclaré la société. Le DOE "a estimé qu'il faudra un peu moins d'un an pour mettre en ligne la cascade HALEU à partir du moment où le contrat d'exploitation sera attribué", a indiqué la société. Pendant ce temps, en 2019, Urenco USA, Inc., une filiale américaine d'une société européenne, a déclaré qu'elle était capable de produire HALEU et de répondre aux besoins de l'industrie et qu'un nouveau module d'enrichissement à ces fins pourrait être opérationnel dans les 24 mois suivant l'octroi de la licence au NRC.

Reconnaissant l'urgence de développer une source nationale plus solide pour HALEU, le Congrès, dans sa loi sur la réduction de l'inflation (IRA) promulguée en août, a fourni 700 millions de dollars pour rendre HALEU disponible pour les réacteurs avancés. Toutefois, le maintien de ce financement pose de nouvelles préoccupations. La demande de crédits supplémentaires émise par le DOE le 1er septembre pour un montant supplémentaire de 1,5 milliard de dollars pour les activités de HALEU afin de remédier aux problèmes d'accès aux services russes d'uranium et de combustible a rencontré des obstacles au Congrès. Pourtant, l'agence continue de rechercher de nouvelles voies pour se procurer suffisamment de HALEU. Le 6 octobre, l'agence a publié un avis de "sources recherchées" pour évaluer l'intérêt de l'industrie et la faisabilité des "grandes et petites entreprises" à produire HALEU. Les réponses originales sont attendues le 28 octobre.

Le déploiement de CURIE par le DOE et les récentes récompenses du programme défendent le retraitement du LWR UNF - qui est généralement de l'oxyde d'uranium revêtu d'alliage de zirconium UNF - comme une autre voie potentielle pour résoudre les problèmes de combustible nucléaire du pays. Selon le DOE, le large éventail de technologies de retraitement de CURIE peut "toutes fournir des matières premières compatibles avec les besoins en combustible des conceptions de réacteurs avancés en voie de déploiement", y compris les réacteurs refroidis au gaz, au sel fondu et au métal liquide. "Toutes les autres technologies de séparation qui répondent aux métriques du programme sont également dans le champ d'application de [CURIE]", indique-t-il.

CURIE envisage que les matières premières provenant d'une installation de retraitement pourraient « être finalement vendues à un fabricant de combustible » pour produire du combustible de réacteur avancé. De manière significative, cela suggère qu'une installation à l'échelle de la métrique CURIE de 200 MTHM / an pourrait fournir suffisamment de matières premières d'uranium et de plutonium (U / Pu) ou d'uranium / transuraniens (U / TRU) pour répondre aux besoins en combustible des réacteurs avancés "à l'horizon 2030. " Cette évaluation est basée sur l'estimation de 2020 de l'Institut de l'énergie nucléaire selon laquelle l'industrie aura besoin d'environ 220 MT par an de HALEU d'ici 2032. "Le combustible U/TRU ou U/Pu fournirait la matière première équivalente à la même quantité de HALEU, et le matériau retraité pourrait servir de matière première HALEU", suggère le DOE.

Le développement technologique nécessaire, cependant, doit surmonter des obstacles importants, reconnaît l'agence. Aujourd'hui, par exemple, "il n'y a pas de voie démontrée pour un combustible U/TRU à partir d'une technologie d'extraction par solvant, et les garanties sont largement établies mais sont associées à un coût important", note-t-il.

Pourtant, le DOE semble optimiste. "De nombreuses opportunités existent pour le développement de technologies alternatives d'extraction par solvant qui perturberaient le paysage de la transformation", indique-t-il. Le développement de technologies aqueuses alternatives (extraction par solvant), par exemple, pourrait permettre la co-récupération des actinides (de l'uranium à l'américium) qui sont pertinents pour le cycle du combustible nucléaire avancé en une seule étape de séparation qui améliore à la fois l'économie et potentiellement la résistance à la prolifération, dit-il.

Le pyrotraitement, une séparation électrochimique discontinue à haute température et non aqueuse de l'UNF en différents flux pour réutilisation ou élimination, pourrait également être potentiellement intéressant pour la production de combustible pour certains cycles de combustible de réacteurs avancés à spectre rapide à partir de LWR UNF, car les éléments TRU, y compris le plutonium, ne sont pas bien séparés les uns des autres, ce qui constitue une autre couche de défense contre la prolifération. Le pyrotraitement, cependant, n'a été démontré qu'à petite échelle dans un cadre de recherche et développement, note le DOE.

Un autre procédé à haute température, la volatilité des fluorures, qui exploite la volatilité des fluorures à l'état d'oxydation élevé (par exemple, l'UF6) pour réaliser la séparation, a été utilisé pour récupérer plus de 100 000 MT d'uranium à partir de combustible non commercial irradié et pour retraiter le combustible de l'expérience du réacteur à sels fondus dans les années 1960. Alors que des schémas de traitement ont été conçus pour cibler les actinides (uranium, plutonium et neptunium) qui peuvent être utiles comme matière première de combustible de réacteur avancé, jusqu'à présent, la volatilité du fluorure n'a pas été démontrée avec l'UNF directement à partir d'un LWR.

Le DOE suggère qu'il s'attend également à ce que les parties prenantes (en dehors de la communauté des réacteurs avancés) s'intéressent à la récupération et à la réutilisation économiques des produits de fission pour une utilisation industrielle ou médicale des radio-isotopes.

Pour certains membres de la communauté des réacteurs avancés, les efforts du DOE pour explorer le recyclage du SNF marquent un pas en avant substantiel pour saisir les opportunités manquées par l'approche nationale du cycle du combustible ouvert.

Oklo, un développeur de microréacteurs qui fait la démonstration de la conversion du combustible oxyde usé en métal, permettant le recyclage des déchets du parc actuel en combustible de réacteur avancé, a souligné un potentiel d'amélioration de l'efficacité du combustible. "Les réacteurs d'aujourd'hui ne consomment qu'environ 5% du contenu énergétique contenu dans leur combustible. Près de 95% du contenu énergétique reste inutilisé", a déclaré la société à POWER le 21 octobre.

Oklo a remporté quatre prix du DOE à ce jour avec un éventail de partenaires, dont le Laboratoire national de l'Idaho (INL), le Laboratoire national d'Argonne (ANL), la société de gestion des déchets nucléaires Deep Isolation et la Case Western Reserve University. En février, lorsque le DOE a accordé à Oklo un prix de 5 millions de dollars dans le cadre du programme ONWARDS, Jacob DeWitte, co-fondateur et PDG d'Oklo, a déclaré que la société de technologie nucléaire avancée prévoyait de tirer parti des enseignements tirés de ces projets pour déployer une installation de recyclage de combustible unique en son genre.

"L'installation de recyclage du combustible permettra à Oklo de convertir les déchets nucléaires du combustible nucléaire usé existant en énergie propre, ainsi que de recycler le combustible des usines d'Oklo, permettant une réduction considérable des coûts et répondant à un besoin clé de la chaîne d'approvisionnement", a-t-il déclaré. "Une installation de recyclage de combustible à l'échelle commerciale changera le paradigme économique de la fission avancée", a-t-il ajouté.

Le DOE a notamment sélectionné vendredi deux projets portés par l'Argonne dans le cadre de ses prix CURIE. Dans le cadre d'un projet qui a recueilli 4,9 millions de dollars de financement fédéral, le laboratoire national basé à Lemont, dans l'Illinois, développera un procédé de réduction électrochimique des oxydes (RO) qui répond aux critères de coût et de déchets du programme CURIE pour une installation commerciale de pyrotraitement. "La RO électrochimique est un processus en une seule étape qui convertit les combustibles oxydes usés en métal, mais les inefficacités actuelles entraînent une conversion non uniforme et incomplète en métal, de longs temps de traitement et de gros volumes de déchets", a expliqué le DOE.

Argonne est sur le point de démontrer un processus OR hautement efficace avec une conversion de 97 % du combustible oxyde en métal en incorporant des capteurs pour surveiller la conversion oxyde en métal, en utilisant des matériaux d'anode de nouvelle génération stables et efficaces et, enfin, en optimisant les conceptions de cellules pour obtenir une conversion spatialement uniforme en métal. Dans le cadre du projet, Oklo poursuivra l'acquisition de combustible usé pour le recyclage et, à travers le projet CURIE, développera son programme d'acquisition de matières premières de combustible oxyde usé, a déclaré le développeur de réacteurs avancés à POWER. "Ce programme donnera la priorité à l'acquisition de combustible usé en fonction de ses caractéristiques physiques et isotopiques, et comprendra le développement de relations commerciales avec des entités qui recherchent activement une solution pour leur stock de combustible usé", a-t-il déclaré.

En parallèle, dans le cadre du deuxième projet récompensé par le DOE, Argonne développera, produira et testera une suite de contacteurs compacts à lit compact rotatif (RPB) appelés PAcked Centrifugal Equipment for Radiochemical separations (PACER) pour le retraitement du combustible nucléaire usé.

Pendant ce temps, l'INL recevra un financement fédéral de 2,7 millions de dollars pour concevoir, fabriquer et tester des matériaux d'anode robustes pour la réduction électrochimique des actinides et des oxydes de produits de fission dans le SNF. « La réduction électrochimique de l'UNF est une étape clé dans les schémas de procédé de pyrotraitement qui permet la récupération ultérieure des actinides par électroraffinage. Les anodes actuelles, qui sont généralement fabriquées à partir de platine ou de graphite, souffrent d'un coût élevé, d'une dégradation rapide des matériaux d'anode, d'une contamination du produit métallique et d'un impact négatif sur l'empreinte carbone », a expliqué le DOE. « Pour réduire les coûts d'anode et améliorer les performances, INL fabriquera et évaluera les performances d'anodes revêtues et bimétalliques d'iridium et de ruthénium à des fins commerciales. Le développement de matériaux d'anode robustes soutient une solution transformatrice pour traiter l'oxyde UNF sans générer de gaz à effet de serre ni isoler de plutonium pur.

Cependant, le plus gros prix CURIE du DOE dans le cadre des sélections de projets d'octobre - 6,5 millions de dollars - ira à GE Research pour le développement de la technologie MAYER (Monochromatic Assays Yielding Enhanced Reliability). MAYER est "une solution de garanties révolutionnaire pour les installations de retraitement nucléaire aqueux", a expliqué la société. "MAYER utilise une source de rayonnement à diffusion Compton laser compacte et accordable révolutionnaire pour fournir un faisceau monochromatique à flux de photons élevé afin de permettre une haute précision (<1 % d'incertitude), une faible latence (<2 minutes), des mesures de concentration élémentaire et isotopique in situ d'éléments fissiles dans un fond de rayonnement élevé. »

Tirant parti de ce prix, GE prévoit également de construire un jumeau numérique pilote virtuel de gestion des garanties de l'installation de retraitement. Le jumeau numérique utilisera la technologie du grand livre numérique pour assurer l'intégrité et la transparence des données. "Le jumeau numérique permettra une formation continue à l'intelligence artificielle à la demande pour fournir une défense active afin de réduire les erreurs standard dans l'inventaire des matériaux et de prévoir les événements indésirables, afin de permettre une atténuation avant un arrêt requis de l'installation", a-t-il déclaré.

Curio, une startup de déchets nucléaires relativement nouvelle, recevra, quant à elle, un prix de 5 millions de dollars pour développer et démontrer son procédé de recyclage NuCycle SNF à l'échelle du laboratoire. Curio a tranquillement développé le nouveau cycle de combustible fermé, qui, selon lui, est "intentionnellement conçu pour éviter la production de flux de plutonium pur et réduit considérablement les volumes de déchets par rapport aux processus existants". Curio s'attend à "plusieurs" produits commerciaux issus du processus, "y compris du combustible uranium/transuranien et des radionucléides précieux", a indiqué la société. Conçu pour "réduire l'empreinte des installations avec une efficacité économique substantielle, NuCycle exploite de manière unique des processus chimiques bien compris et peut s'adapter à une variété de types d'UNF (par exemple, sels fondus, combustibles nitrurés, etc.). NuCycle modifie le paradigme actuel sur les" déchets nucléaires "en les refondant comme un atout et crée le dossier commercial du recyclage des UNF aux États-Unis", a-t-il ajouté.

Un autre prix notable - 4,7 millions de dollars - ira à NuVision Engineering, une entreprise qui concevra, construira, mettra en service et exploitera une plate-forme intégrée de test de comptabilité des matériaux. La plate-forme ciblera la prédiction de la comptabilité des matières nucléaires post-traitement à moins de 1 % d'incertitude pour une usine de retraitement aqueux. La société d'ingénierie Mainstream Engineering développera séparément une technologie de séparation modulée sous vide pour séparer et capturer les radionucléides volatils. Le projet pourrait "réduire les coûts d'investissement et d'exploitation du cycle de vie et minimiser les déchets qui doivent être stockés", a déclaré le DOE.

Le DOE a également accordé 2,8 millions de dollars à l'Electric Power Research Institute (EPRI) pour développer une "entreprise intégrée du cycle du combustible" qui abordera "les défis couplés de la gestion du cycle de vie du combustible nucléaire et de l'approvisionnement avancé en combustible des réacteurs". L'organisme de recherche caractérisera et évaluera les options de source de combustible LWR pour la viabilité économique, ainsi que les options pour une installation de recyclage qui produit du combustible pour les réacteurs avancés, comme un réacteur rapide à chlorure fondu (MCFR). "EPRI utilisera ces informations pour développer un outil d'optimisation des installations de recyclage afin d'évaluer les nombreuses options de processus viables pour leur compatibilité et leur efficacité. Le résultat éclairera la conception d'une installation de recyclage colocalisée avec plusieurs installations du cycle du combustible, potentiellement sur un site de réacteur à eau légère en fonctionnement ", a déclaré le DOE.

Enfin, le DOE a également sélectionné des projets portés par plusieurs équipes académiques. L'Université de l'Alabama, à Birmingham, développera un procédé en une seule étape qui recycle le SNF en récupérant la majeure partie de l'uranium et d'autres transuraniens de l'UNF après dissolution dans l'acide nitrique. L'Université du Colorado à Boulder, quant à elle, fera progresser la technologie capable d'effectuer des mesures de haute précision et nettement plus rapides de mélanges complexes de SNF. L'Université du nord du Texas développera un capteur sans fil auto-alimenté pour la surveillance à long terme et en temps réel de la densité et du niveau de sel fondu à haute température afin de permettre une sauvegarde et une surveillance précises du traitement électrochimique de l'UNF. Et l'Université de l'Utah développera un procédé pyrochimique pour convertir efficacement le SNF en une matière première combustible adaptée aux réacteurs rapides refroidis au sodium ou aux réacteurs alimentés par des sels fondus.

—Sonal Patel est rédacteur en chef adjoint de POWER (@sonalcpatel, @POWERmagazine).

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