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Les 4 générations de réacteurs nucléaires
Les 4 générations de réacteurs nucléaires

Les 4 générations de réacteurs nucléaires

Il y a une cinquantaine d'années, les premiers réacteurs capables de produire de l'électricité à partir de l'énergie nucléaire ont été mis en service. Depuis lors, ils ont subi une métamorphose complète. Découvrez dans cet article les évolutions entre les différentes générations de réacteurs et ce que l'avenir nous réserve.

1950 - maintenant : première, deuxième et troisième génération

La première génération de réacteurs, refroidis à l'eau et modérés au graphite, ont été conçus dans les années 1950 et 1960. Entre-temps, ils sont devenus très rares, mais il en existe encore quelques exemples actifs dans le monde.

Vue intérieure d'un bâtiment réacteur

La deuxième génération de réacteurs nucléaires.

Dans les années 1970-1980, la deuxième génération a été construite. Il s'agit des réacteurs que nous connaissons encore aujourd'hui. La plupart d'entre eux sont des réacteurs à eau pressurisée (REP), où l'eau est chauffée sous pression à des températures très élevées (300° C). Dans le monde, environ un réacteur sur deux est un réacteur REP. Le secteur nucléaire fait partie des plus surveillés du monde industriel. De nombreux audits indépendants sont réalisés sur les sites et ont pour objectif s'assurer qu'ils répondent toujours aux normes de sécurité sans cesse plus rigoureuses. Le principe d’amélioration continue est très important dans le monde nucléaire et tient compte des « retour d’expérience » capitalisé sur le plan mondial. Pour cette raison, des améliorations sont régulièrement apportées et les systèmes anciens sont remplacés par de nouveaux systèmes de façon préventive.

Cuve d'un réacteur lors du rechargement en combustible

Les réacteurs de troisième génération

Les réacteurs de troisième génération - également connus sous le nom de génération évolutive - sont encore plus sûrs que leurs prédécesseurs et ont été conçus dès le départ pour durer plus longtemps (60 ans). Ils présentent des innovations qui ont été développées grâce à des décennies d'expertise avec les 400 réacteurs nucléaires du monde entier.

Ces réacteurs de troisième génération se caractérisent principalement par des systèmes de refroidissement plus passifs. Cela signifie qu'ils utilisent les forces naturelles et qu'ils continuent à fonctionner même en l'absence d'alimentation électrique externe. En termes de sûreté, les réacteurs les plus modernes ont une double paroi* (un bunker dans un bunker) et une structure améliorée sous le réacteur pour protéger la population et l'environnement en cas d'incident. Enfin, ces nouvelles centrales consomment moins de combustible, ce qui signifie qu'elles produisent moins de déchets.

* Note : En Belgique, les réacteurs actuels (de deuxième génération) ont déjà des doubles parois (un bunker dans un bunker).

Les différents réacteurs actuellement en construction sont de la troisième génération.

Les réacteurs de génération IV : la base des centrales nucléaires de demain

Tous les réacteurs actuellement en construction sont déjà de génération III+ et présentent des dispositifs de sûreté améliorés, notamment grâce à des systèmes de sûreté passifs (sans intervention humaine). Et certains réacteurs de génération IV sont presque prêts à être construits.

À l'avenir, la recherche se concentrera sur les réacteurs à fusion grâce notamment au tokamak ITER (actuellement en construction), qui sera la plus grande et la plus puissante machine à fusion jamais construite.

Actuellement, des recherches intensives sont menées dans le monde entier sur plusieurs technologies, ce qu'on appelle la 4e génération. L'objectif est de développer des options technologiques de fractionnement. Ces réacteurs sont encore plus sûrs et réduisent considérablement la production de déchets.

Voici les réacteurs dont le développement est le plus avancé à l'heure actuelle :

  • ITER: kernfusie;
  • SMR's: kleine kernreactoren;
  • Les réacteurs au sel de thorium fondu.
ITER filmé par un drone (décembre 2017)

ITER et fusion nucléaire : le soleil sur terre

Aujourd'hui, la fusion nucléaire rime avec ITER ! ITER est un projet mondial. Il rassemble 35 pays qui veulent construire ensemble le plus grand tokamak jamais conçu. ITER doit démontrer que la fusion nucléaire peut être utilisée comme source d'énergie pour produire de grandes quantités d'électricité.

ITER est un modèle de démonstration à grande échelle, dont la construction a commencé à Cadarache dans le sud de la France en 2010. Fin 2017, les responsables d'ITER ont officiellement annoncé que 50 % de toutes les activités nécessaires à la production du premier plasma avaient été réalisées. Ce premier plasma est prévu pour la fin de 2025 et les premières activités liées au tritium-deutérium pour 2035.

La suite du programme prévoit à long terme la construction d'un modèle de démonstration de production d'électricité qui intégrera toute l'expérience d'ITER. ITER a été spécialement conçu pour :

  • Produire une capacité de fusion de 500 MW ;
  • Démontrer la gestion intégrée des technologies d'une centrale électrique produisant de l'électricité par 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 3ème 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.

Découvrez les innovations du SCK•CEN et de Tractebel dans le domaine des SMR

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..

VERS LE DOSSIER SMR

Les réacteurs à neutrons rapides présentent plusieurs avantages :

Les 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.

ASTRID : le réacteur à neutrons rapides en développement en France

En France, le CEA (Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives) est chargé de mener les recherches sur des technologies nucléaires innovantes. Dans le cadre de la loi programme du 28 juin 2006 relative à la gestion durable des matières et des déchets radioactifs, le CEA a proposé à l’Etat un projet de démonstrateur technologique de réacteur de quatrième génération. C’est ainsi que le CEA développe actuellement un projet de réacteur à neutrons rapides refroidis au sodium, appelé ASTRID pour Advanced Sodium Technological Reactor for Industrial Demonstration.

Les études de conception ont commencé en 2010. ASTRID sera un démonstrateur technologique dont la mise en service est prévue en 2040. L’objectif avoué est de commercialiser ce type de réacteur à partir de 2050. Aujourd’hui, 600 personnes issues du CEA et des partenaires industriels et de recherche travaillent sur les différentes composantes du projet : conception du cœur du réacteur, inspection du sodium par ultrasons, systèmes d’inspection et de surveillance du réacteur pendant son fonctionnement.

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. Ces deux nations 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 au moins 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.
  • En France, 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 et durable à des prix abordables pour des milliers d’années. Les réacteurs à sels fondus peuvent aussi être conçus pour assurer un suivi du remplissage 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 4e génération qui pourraient être disponibles d’ici 2030.

L’entreprise canadienne Terrestrial Energy est en train de développer 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 à la fin des années 2020 ou au début des années 2030.

Le régulateur canadien a en tout 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 4e 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.

Les réacteurs flottants

Des projets pilotes de réacteurs flottants sont également en cours de développement à l'heure actuelle. Comme leur nom l'indique, il s'agit de réacteurs nucléaires à pontons flottants qui peuvent être délocalisés et installés en mer pour fournir de l'électricité dans des régions éloignées et difficilement accessibles, comme l'Arctique. Les réacteurs flottants peuvent également être utilisés pour dessaler l'eau de mer et la transformer en eau potable (procédé à forte intensité énergétique, pour lequel l'énergie nucléaire est très adaptée).

En Russie, la première centrale nucléaire flottante est actuellement en route vers Pevek, la ville la plus septentrionale du pays. Il s'agira du premier réacteur nucléaire flottant opérationnel et de la centrale nucléaire la plus proche du Pôle Nord. La Chine est également en train de construire un SMR flottant, de même que le MIT (Massachusetts Institute of Technology) pour les États-unis. Il est fort probable que d'autres pays leur emboîtent le pas. Si c'est le cas, vous le découvrirez en détail ici.

En savoir plus

Sources : CEA (France), IRSN (France), SFEN, Terrestrial Energy, ITER, SCK•CEN, Tractebel.

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