La recherche et l’innovation

Les réacteurs nucléaires assurent aujourd’hui 77 % de la production électrique en France et contribuent déjà fortement à la réduction des émissions de gaz à effet de serre (grâce au nucléaire, un Français émet deux fois moins de CO2 qu’un Allemand !).

Pour répondre au défi du XXIe siècle de la lutte contre le dérèglement climatique, il nous faudra trouver des solutions innovantes pour réduire nos émissions de gaz à effet de serre et mieux gérer notre énergie en améliorant notre efficacité énergétique.

La filière nucléaire a clairement un rôle à jouer dans cette  voie de l’innovation technologique : qu’il s’agisse de la cogénération pour tirer au mieux profit de la chaleur produite par les centrales, des réacteurs nucléaire à neutrons rapide de 4e génération, qui permettront d ‘économiser les ressources tout en générant moins de déchets, ou encore de petits réacteurs modulaires terrestre ou immergés, les pistes ne manquent pas !
 

La recherche nucléaire : une recherche de pointe, ouverte et indispensable

Indispensable

La recherche permet d’améliorer la performance et la sûreté des installations nucléaires. Elle est extrêmement utile aujourd’hui, dans une période où l’industrie nucléaire projette d’exploiter ses réacteurs nucléaires au-delà de 40 ans ; car elle permet de comprendre le vieillissement des matériaux et de développer les systèmes de remédiation nécessaires.

De pointe

La recherche nucléaire est le quatrième secteur en matière de R&D en France. Exigeante, elle marie différents domaines d’expertise, en faisant de plus en plus appel aux supercalculateurs et aux calculs intensifs.

Depuis plusieurs décennies, la France occupe une place de choix dans le domaine de la recherche nucléaire, et démontre ainsi qu’elle a su préparer l’avenir au travers de la R&D et de l’excellence de son expertise.

Ouverte

Le développement en matière de R&D nécessite des moyens extrêmement importants, il est donc indispensable, dans la mesure du possible, de mutualiser les installations de recherche et les experts de différents pays. Pour les réacteurs du futur comme pour la gestion des déchets radioactifs ou la recherche de base, les acteurs de la recherche nucléaire développent des collaborations scientifiques. 


Les réacteurs du futur pour une énergie durable

En produisant de l’électricité en grande quantité, sans générer de gaz à effet de serre, le nucléaire dispose d’atouts pour lutter contre le dérèglement climatique. Mais cette industrie est aussi confrontée à des enjeux en termes de compétitivité, de disponibilité, de sûreté, de lutte contre la prolifération, de raréfaction de la ressource et de gestion des déchets. Autant d’enjeux qui imposent de poursuivre sur la voie de l’innovation technologique qui a toujours été un moteur du développement. Cette innovation passe aujourd’hui par le développement de réacteurs nucléaires à neutrons rapides, dits de « 4ème génération ».

Un triple intérêt

Les réacteurs à neutrons rapides présentent trois intérêts majeurs. D’abord, celui de permettre de consommer tout le plutonium produit par le parc actuel des réacteurs à eau légère.

Ensuite, la possibilité de brûler tout type d’uranium, y compris l’uranium appauvri et celui issu du retraitement du combustible usé sorti des centrales actuelles. Un rendement exceptionnel, qui, en préservant les réserves mondiales d’uranium, fait définitivement passer le nucléaire dans la catégorie des énergies durables.

Enfin, la possibilité de transmuter certains actinides mineurs, principaux contributeurs de l’émission de chaleur et de la radio-toxicité résiduelle des déchets ultimes sur le très long terme. Ce qui permettrait de réduire significativement leur volume de stockage et leur toxicité.

Deux filières à l’étude 

Pionnière dans cette filière, la France a chargé le CEA de mener les recherches sur ces systèmes nucléaires innovants. Celui-ci concentre ses recherches sur deux filières de réacteurs à neutrons rapides : l’une refroidie au gaz, et l’autre au sodium.

La filière gaz s’appuie sur un projet de réacteur expérimental de petite taille, appelé Allegro, et porté par un consortium européen constitué de 4 instituts (VUJE Slovaquie, UJV République tchèque, MTA-EK Hongrie, NCBJ Pologne). Celle-ci apparaît toutefois comme une option à long terme du fait des importants verrous technologiques qui restent à lever pour démontrer sa faisabilité.

La filière refroidie au sodium, plus mature, pourrait être déployée dès l’horizon 2040. Les études sont pilotées en France par le CEA, autour du projet de démonstrateur technologique ASTRID, actuellement en phase d’avant-projet sommaire.  

ASTRID : un démonstrateur en rupture avec la technologie actuelle

Les réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium ont fait l’objet de nombreux projets dans le monde qui ont permis d’accumuler plus de 400 années-réacteur d’exploitation, dont 100 en exploitation industrielle. Ils constituent la voie aujourd’hui retenue en référence par l’ensemble des pays engagés dans le développement de réacteurs à neutrons rapides de 4ème génération.

Le projet ASTRID présente des innovations décisives par rapport aux précédents réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium. Il possède notamment une propriété remarquable : la capacité de produire son propre combustible dans le cours même de son fonctionnement. C’est pourquoi on le qualifie de réacteur surgénérateur. D’une puissance de 600 MWe, il devrait être construit sur le site de Marcoule en entrer en exploitation dès le début des années 2020, pour préparer un déploiement industriel à partir de 2040.

Les Small Modular Reactors : maîtriser les coûts, sans s’affranchir de la  sûreté

Faible puissance (moins de 300 MWe), construction modulaire standardisée en usine, telles sont les caractéristiques  de ces  Small Modular Reactors (SMR), qui visent à faciliter l’accès à l’énergie nucléaire pour les compagnies d’électricité de taille moyenne, les pays contraints économiquement, ou encore les zones isolées. 

Outre la production d ‘électricité, ces SMR peuvent fournir de la chaleur industrielle et contribuer à la production d’eau douce. Leur utilisation pour la propulsion navale civile est également envisagée à plus long terme.

Les Etats-Unis, la Chine, la Russie et la Corée du Sud se sont d’ores et déjà positionnés sur ce marché. En France, un consortium « SMR » réunissant le CEA, EDF, Areva et DCNS, a été mis ne place en depuis 2012 pour étudier la faisabilité technique et économique - au meilleur niveau de sûreté - de ces petits réacteurs nucléaires en vue d’élaborer l’offre française dans ce domaine. Ces études ont conduit les français à retenir la seule filière des réacteurs à eau pressurisée et une puissance unitaire autour de 150 MWe. Deux types de centrales sont envisagés : les centrales terrestres, regroupant 2 à 4 SMR un même site, et des centrales immergées, selon le concept FlexBlue.   

FlexBlue : des unités sous-marines de petite puissance, à proximité des côtes

Le concept de SMR immergé Flexblue consiste à implanter une ou plusieurs unités SMR jusqu’à 100 m de profondeur, à une distance plus ou moins éloignée de la côte, dans la limite des eaux territoriales. Ces unités sont surveillées et opérées depuis le rivage, avec la présence à bord du module - permanente ou non - d’une équipe d’intervention.

Les avantages sont multiples : la disponibilité d’une source froide illimitée permet d’optimiser le fonctionnement du réacteur, la mer assure une protection intrinsèque de la centrale contre les agressions externe et des populations face au risque radioactif…  sans oublier le faible impact sur le paysage.


 

La cogénération, ou comment profiter utilement de la chaleur nucléaire

Outre son but premier qui est de produire de l’électricité, l’énergie nucléaire possède un atout majeur : celui de fournir de la chaleur. Très peu mise à profit en France, cette chaleur nucléaire offre pourtant de multiples opportunités, que ce soit dans le domaine du chauffage urbain, celui du dessalement de l’eau de mer, ou pour diverses applications industrielles. 

Sur les 432 réacteurs en exploitation dans le monde, 74 fonctionnement déjà selon ce principe de cogénération. La plupart se trouve en Europe de l’Est, Russie, Ukraine, Hongrie, Roumanie Slovaquie,  République tchèque ou même en Suisse, où ils contribuent à fournir en chaleur les villes aux alentours des centrales. L’Arabie saoudite, le Japon et l’Inde l’exploitent quant à eux pour alimenter leurs usines de dessalement d’eau de mer.

Alimenter les réseaux de chauffage urbain

Le chauffage urbain est une des applications les plus prometteuses de la cogénération. Il suffit pour cela de modifier le circuit secondaire du réacteur puis d’acheminer l’eau chaude depuis la centrale jusqu’à l’usager.

Le développement des réseaux de chauffage urbain et l’amélioration de la technologie des lignes de chaleur qui permet aujourd’hui de transporter de l’eau chaude sur une distance de 100 kilomètres avec moins de 2 % de perte de chaleur ouvrent la voie au développement à grande échelle de cette solution. Si sa faisabilité technique est clairement démontrée, son déploiement en France bute encore sur l’accord de l’Autorité de Sûreté Nucléaire (ASN) et sur l’absence de volonté politique. Elle n’en demeure pas moins une option soutenue par l’Alliance nationale de coordination de la recherche pour l’énergie (Ancre) dans les scénarios présentés lors du débat national sur la transition énergétique.  

… ou les usines de dessalement d’eau de mer

Elément vital au développement des populations, l’eau douce est inégalement répartie sur la planète. Un état de fait que le dérèglement climatique tend à amplifier, et qui amène de plus en plus de pays à se doter d’usines de dessalement de l’eau de mer.

Aujourd’hui, plus de 15 000 unités de dessalement sont exploitées dans le monde, générant un total de 70 millions de m3 d’eau douce chaque jour, soit cinq fois la consommation d’eau de la France. Le fonctionnement de ces usines nécessite d’énormes quantités d’énergie. Pour éviter qu’elles ne soient alimentées par des centrales émettrices de gaz à effet de serre, la cogénération nucléaire constitue une alternative crédible.

Une partie de la chaleur générée par la fission dans le cœur est extraite sous forme de vapeur pour être ensuite canalisée, par l’intermédiaire d’un circuit supplémentaire, vers l’usine de dessalement. Cette chaleur est ainsi directement utilisée pour le dessalement, sans avoir été au préalable convertie en électricité.