Kourosh Shirvan, titulaire de la chaire John Clark Hardwicke de perfectionnement professionnel au Département des sciences et du génie nucléaires (SNG), sait que l’industrie nucléaire s’est traditionnellement méfiée des innovations jusqu’à ce qu’elles se révèlent utiles. En conséquence, il s’est concentré sans relâche sur les applications pratiques dans ses recherches, un travail qui lui a valu le prix 2022 Reactor Technology Award de l’American Nuclear Society. “Le prix récompense généralement les contributions pratiques dans le domaine de la conception de réacteurs et n’est pas souvent allé dans le milieu universitaire”, explique Shirvan.
L’une de ces «contributions pratiques» concerne le domaine des combustibles tolérants aux accidents, un programme lancé par l’Autorité de réglementation nucléaire des États-Unis à la suite de l’accident de Fukushima Daiichi en 2011. L’objectif du programme, selon Shervan, est de développer de nouvelles formes de combustible nucléaire capable de résister à la chaleur. Son équipe, avec des étudiants de plus de 16 pays, travaille sur de nombreuses possibilités allant de la composition et de la méthode de production.
Un autre aspect de la recherche de Shirvan porte sur la façon dont le rayonnement affecte les mécanismes de transfert de chaleur dans le réacteur. L’équipe a constaté que l’usure du carburant est la force motrice. “(La recherche) montre comment le combustible nucléaire dans le réacteur se comportera, d’un point de vue pratique”, a déclaré Shirvan.
Améliorer la conception des réacteurs nucléaires
C’est le stage d’été alors que Shirvan était étudiant de premier cycle à l’Université de Floride à Gainesville qui l’a amené à se concentrer sur les applications pratiques dans ses études. Une installation nucléaire voisine perdait des millions alors que le minerai s’empilait sur des barres de combustible. Au fil du temps, l’entreprise résoudrait le problème en utilisant plus de carburant, avant d’extraire toute la vie des lots précédents.
Le placement des crayons de combustible dans les réacteurs nucléaires est un problème complexe dont de nombreux facteurs (l’âge du combustible, l’emplacement des points chauds) influencent les résultats. Les réacteurs nucléaires changent leur configuration de barres de combustible tous les 18 à 24 mois pour améliorer environ 15 à 20 contraintes, ce qui donne environ 200 à 800 assemblages. La nature époustouflante du problème signifiait que les usines devaient compter sur des ingénieurs expérimentés.
Au cours de sa formation, Shirvan a amélioré le logiciel utilisé pour placer les barres de combustible dans le réacteur. Il a constaté que certaines des tiges des assemblages étaient plus sensibles aux gisements de minerai et il a reconfiguré leurs formations, améliorant les performances de ces tiges plutôt que d’ajouter les assemblages.
Ces dernières années, Shirvan a appliqué une branche de l’intelligence artificielle – l’apprentissage par renforcement – au problème de configuration et a créé un logiciel utilisé par la plus grande installation nucléaire américaine. “Ce logiciel donne même à la personne moyenne la possibilité de reconfigurer le combustible et le réacteur sans avoir de connaissances spécialisées”, explique Shirvan.
Des mathématiques avancées au comptage des bonbons
L’expertise de Shirvan en science et ingénierie nucléaires s’est développée tout naturellement. Il a grandi à Téhéran, en Iran, et quand il avait 14 ans, la famille a déménagé à Gainesville, où vivaient la tante de Shirvan et sa famille. Il se souvient de deux années difficiles au nouveau lycée où il a été regroupé avec des étudiants internationaux nouvellement arrivés et placé dans des classes d’entrée de gamme. “Je suis passé de faire des maths avancées en Iran à compter des jujubes”, dit-il en riant.
Shirvan a postulé à l’Université de Floride pour ses études de premier cycle parce que c’était économiquement viable; L’école a offert des bourses complètes aux étudiants de Floride qui ont atteint un certain score SAT minimum. Shirvan s’est qualifié. Son oncle, qui était alors professeur au département de génie nucléaire, a encouragé Shirvan à suivre des cours au département. Sous la direction de son oncle, les cours suivis par Shirvan et ses stages ont nourri son amour pour l’approche interdisciplinaire requise par ce domaine.
Ayant toujours su qu’il voulait enseigner – il se souvient d’avoir terminé ses examens de mathématiques tôt à Téhéran pour pouvoir gagner le bonus d’être surveillant de classe – Shervan savait que l’université était la prochaine étape. Son oncle l’a encouragé à postuler au MIT et à l’Université du Michigan, siège de programmes réputés dans le domaine. Shirvan a choisi le MIT parce que “il n’y avait qu’au MIT un programme de conception nucléaire. Il y avait une faculté dédiée à la conception de nouveaux réacteurs, à la recherche dans plusieurs disciplines et à l’assemblage du tout”. Il a poursuivi ses études de maîtrise et de doctorat au NSE sous la direction du professeur Majid Kazemi, en se concentrant sur la conception de réacteurs à eau sous pression et sous pression. Lorsque Kazemi est décédé subitement en 2015, Shirvan était un chercheur scientifique, faisant la transition vers le cheminement de carrière consistant à diriger l’équipe du professeur.
Un autre projet entrepris par Shirvan en 2015 : diriger un cours du MIT sur la technologie des réacteurs nucléaires pour les gestionnaires d’installations. Offert uniquement par l’institut, le programme est une introduction à l’ingénierie nucléaire et à la sécurité pour les employés qui n’ont peut-être pas d’expérience significative dans le domaine. “C’est un cycle formidable parce que vous voyez les vrais problèmes du secteur de l’énergie… comme la stabilité du réseau”, déclare Shervan.
Une approche multiforme de l’épargne
Un autre problème réel auquel sont confrontées les installations nucléaires est le coût. Contrairement à ce que l’on entend aux informations, le coût, qui peut aujourd’hui être trois fois supérieur au coût des énergies renouvelables, dit Shirvan, est contraire à ce que l’on entend aux informations. Alors que de nombreuses approches telles que la fabrication de pointe ont été essayées, Shirvan pense que la solution pour réduire les coûts réside dans la conception de réacteurs plus compacts.
Son équipe a développé un outil de coût nucléaire avancé et open source et s’est concentré sur deux conceptions différentes : un petit réacteur à eau utilisant la technologie de la vapeur sous pression et un réacteur à gaz horizontal. La compacité signifie aussi rendre le carburant plus efficace, comme le font les travaux de Shirvan, et améliorer le dispositif d’échange de chaleur. Tout revient à l’essentiel et apporte “des arguments commerciaux viables avec votre recherche”, explique Shirvan.
Shervan est enthousiasmé par l’avenir de l’industrie nucléaire américaine et par le fait que la loi de 2022 sur la diminution de l’inflation accorde les mêmes subventions à l’énergie nucléaire qu’aux énergies renouvelables. Dans ces nouvelles règles du jeu équitables, l’énergie nucléaire avancée a encore un long chemin à parcourir en termes d’abordabilité, admet-il. “Il est temps d’aller de l’avant avec une conception rentable, et j’ai hâte de soutenir cela en continuant à guider ces efforts avec les recherches de mon équipe”, déclare Shervan.