Les réacteurs nucléaires du futur
Le futur de l’énergie nucléaire s’écrit déjà aujourd’hui. L’innovation est omniprésente dans le développement de l’énergie nucléaire tant en ce qui concerne les modes de production d’électricité que les multiples autres applications de la technologie nucléaire. Découvrez quelques technologies prometteuses dans cet article.
A quoi ressembleront les futures centrales nucléaires ?
Tous les réacteurs en cours de construction aujourd’hui sont déjà de la génération III+ et disposent des dispositifs de sûreté renforcés, notamment grâce des systèmes de sûreté passive (sans intervention humaine). Et certains réacteurs de la génération IV sont pratiquement prêts à être construits.
Et pour l’après-demain, les recherches progressent vers les réacteurs de fusion grâce notamment au tokamak ITER (en cours de construction) qui sera la plus grande et la plus puissante des machines de fusion jamais construites.
Plusieurs technologies, dites de 4ième génération, font actuellement l’objet d’intenses recherches à travers le monde. Elles visent à développer des options technologiques de rupture. Ces réacteurs seront encore plus sûrs et réduiront sensiblement la production de déchets.
Prenons les réacteurs dont le développement est le plus avancé aujourd’hui :
- ITER la fusion nucléaire ;
- Les SMR's : des ‘mini-réacteurs’ ;
- Les réacteurs à sels fondus-thorium.
ITER et la fusion nucléaire
Aujourd’hui, la fusion nucléaire c’est ITER ! ITER est un projet à l’échelle mondiale. Il réunit 35 pays qui se sont engagés dans la construction du plus grand tokamak jamais conçu. ITER doit démontrer que la fusion peut être utilisée comme source d’énergie pour produire de l’électricité en grandes quantités.
ITER est un démonstrateur à grande échelle dont la construction a débuté en 2010 sur le site de Cadarache dans le sud de la France. A fin 2017, les responsables d’ITER ont officiellement annoncé que 50 % de l’ensemble des activités indispensables pour produire le premier plasma avait été réalisé. Ce premier plasma est prévu pour fin 2025 et les premières opérations en deutérium-tritium pour 2035.
La suite du programme prévoit à plus long terme la construction d’un démonstrateur de production d’électricité qui intégrera tous les retours d’expérience d’ITER.
ITER a été spécifiquement conçu pour :
- Produire 500 MW de puissance de fusion ;
- Démontrer le fonctionnement intégré des technologies d’une centrale de production d’électricité par la fusion ;
- Réaliser un plasma deutérium-tritium auto entretenu ;
- Expérimenter la production de tritium ;
- Démontrer la sûreté d’un dispositif de fusion. L’un des principaux objectifs d’ITER est de démontrer que les réactions de fusion qui se produisent au sein du plasma sont sans impact sur les populations et l’environnement.
Comment ça marche ?
Les réacteurs à fusion ne fonctionnent pas sur la fission de noyaux nucléaires comme c’est le cas pour les réacteurs nucléaires de 3ième génération actuels. La fusion nucléaire vise à fusionner des noyaux très petits de l’hydrogène (deutérium et tritium) pour produire une énergie illimitée. A l’image du soleil.
De nombreux chercheurs étudient ce phénomène physique et la façon de le maîtriser. Différents prototypes expérimentaux (« tokamaks », stellarator, …) fonctionnent dans le monde pour étudier l’intérêt et la faisabilité de cette voie de production d’énergie.
Small Modular Reactors: répondre aux demandes fluctuantes en énergie
Les SMR, ou small modular reactors, sont des ‘mini-réacteurs’ qui se présentent sous forme de modules. De construction plus économique, ils offrent également un maximum de flexibilité pour s’adapter à la demande en électricité, par exemple sur des sites industriels ou dans des zones reculées. L’intérêt pour les SMR est croissant dans le monde entier. En Belgique, le SCK•CEN et Tractebel sont à la pointe de l’innovation.
Pourquoi de petites unités ?
Les SMR, flexibles et autonomes, peuvent répondre facilement aux demandes fluctuantes en énergie. Ils ne sont pas destinés à remplacer les centrales nucléaires classiques qui fournissent de l’énergie bas-carbone en continu, mais bien à compléter les solutions actuelles de production d’électricité.
Les SMR sont par exemple très utiles dans les régions isolées qui ne disposent pas d’un réseau électrique ou encore sur des sites industriels. Ils sont en outre capables de ‘fabriquer’ de l’eau potable.
A l’heure où notre planète a besoin d’énergies bas-carbone et avec l’émergence des énergies renouvelables intermittentes, l’énergie nucléaire et les SMR constituent des solutions pertinentes.
Les réacteurs à neutrons rapides
Les avantages annoncés des réacteurs à neutrons rapides :
- Les réacteurs à neutrons rapides peuvent utiliser sans limitation tout le plutonium produit par le parc des réacteurs actuels ou par eux-mêmes.
- Ils peuvent brûler tout type d’uranium. En valorisant la totalité de l’uranium extrait du sol, ils multiplient pratiquement par un facteur 100 l’énergie que l’on peut extraire d’une masse donnée d’uranium naturel.
- Ils offrent la possibilité de réduire la radiotoxicité, la durée de vie et le volume des déchets ultimes.
Les réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium sont une filière de référence qui dispose déjà d’une expérience appréciable.
Les réacteurs à sels fondus au thorium
Le thorium possède de nombreux avantages. Le métal thorium 232 est plus abondant que l’uranium et peut être utilisé pratiquement à 100 %.
Le thorium pourrait soutenir le développement d’une nouvelle filière nucléaire. Et notamment dans des pays comme l’Inde et la Chine qui possèdent d’importantes ressources de thorium. Deux pays qui mènent d’importants programmes de développement à long terme sur des réacteurs alimentés au thorium. La Chine et les Etats-Unis financent un programme de recherche pour développer cette technique à l’échelle industrielle. La Chine déclare même vouloir construire un réacteur d’ici 2030. L’association de la technologie des sels fondus et du thorium offre d’un côté la sûreté et l’efficacité énergétique et de l’autre l’abondance et l’élimination des déchets de longue durée de vie.
De nombreuses initiatives sont développées à travers le monde mais aussi en Europe. L’utilisation du thorium nécessite toutefois la mise en place d’une nouvelle filière, différente de la filière nucléaire actuelle. Des recherches sont menées en France par le Centre National de Recherche Scientifique de Grenoble.
Il faut reconnaître que le thorium peut constituer une option potentielle à très long terme. En effet le cycle du combustible à l’uranium est parfaitement maîtrisé et l’approvisionnement en uranium est assuré à minima pour les 200 années à venir.
Quelques exemples proches de nous
En décembre 2013, Orano (ancien AREVA) et Solvay ont conclu un accord destiné à valoriser le thorium. Cet accord inclut notamment un programme de Recherche et Développement pour étudier e.a. son exploitation comme combustible potentiel pour des centrales nucléaires de nouvelle génération.
Au Pays-Bas, les scientifiques du Nuclear Research and Consultancy Group (NRG) de Petten, ont débuté en août 2017, des expériences pour mieux comprendre différents aspects du fonctionnement d’un réacteur à sels fondus utilisant du thorium comme combustible. Ces expériences sont menées conjointement avec le Joint Research Center de Karlsruhe de la Commission européenne. Le projet s’appelle SALIENT pour SALt Irradiation ExperimeNT.
A Grenoble, des chercheurs du CNRS étudient les avantages et les inconvénients des réacteurs à sels fondus associé au thorium.
Les réacteurs à sels fondus (Molten-Salt Reactors)
Un réacteur à sels fondus repose sur le principe d’intégrer le combustible directement dans le caloporteur. La différence est fondamentale, par rapport aux réacteurs actuels, avec un combustible qui se présente sous forme liquide et non plus sous forme solide. Le but est de permettre de regrouper dans une même installation la production d’énergie et le recyclage du combustible. Les réacteurs à sels fondus ont le potentiel d’offrir une énergie abondante, sûre, propre et à des prix abordables pour des milliers d’années.
Les réacteurs à sels fondus peuvent aussi être conçus pour assurer un suivi de charge automatique. Cette qualité est essentielle dans un contexte où une partie de l’électricité est produite par des sources intermittentes telles que le soleil et le vent.
Les réacteurs à sels fondus à l’uranium
Certains réacteurs continueront à utiliser de l’uranium-235 enrichi. Ils font partie des technologies de réacteurs de 4ième génération qui pourraient être disponibles d’ici 2030.
L’entreprise canadienne Terrestrial Energy développe un réacteur à sels fondus appelé IMSR (Integral Molten Salt Reactor) avec un combustible à base d’uranium 235 enrichi à environ 5 %. Celui-ci aurait une puissance électrique développable de 190 MW et pourrait, d’après les concepteurs, entrer en service fin des années 2020 début des années 2030.
Le régulateur canadien a en tous cas annoncé fin 2017, que Terrestrial Energy avait rempli la première des trois phases de la « revue avant licence » (pre-licensing review). Cette approbation de la Canadian Nuclear Safety Commission représente un pas important vers la construction d’un réacteur de 4ième génération. Terrestrial Energy a déjà décidé d’implanter sa première centrale sur le site des « Canadian National Labs » in Chalk River en Ontario.
Outre la production d’électricité ce type de réacteur pourrait aussi fournir de la chaleur pour des applications industrielles telles qu’en chimie et pour dessaler de l’eau de mer.
Sources : CEA (France), IRSN (France), SFEN, Terrestrial Energy, ITER, SCK•CEN, Tractebel.