Six concepts de réacteurs entrent sous ce label. Trois d’entre eux sont des réacteurs à neutrons rapides (RNR), déclinés autour de principes de fonctionnement différents :

• le réacteur à neutrons rapides à caloporteur gaz (RNR-G) ou Gas-cooled Fast Reactor System (GFR) ;
• le réacteur à neutrons rapides à caloporteur sodium (RNR-Na) ou Sodium-cooled Fast Reactor System (SFR) ;
• le réacteur à neutrons rapides à caloporteur alliage de plomb (RNR-Pb), ou Lead-cooled Fast Reactor System (LFR).

Dans les réacteurs à neutrons rapides (RNR) les neutrons ne sont pas modérés (ralentis) comme dans les réacteurs à eau pressurisée.  Porteurs d’une plus grande énergie cinétique, ces neutrons peuvent interagir à la fois avec les atomes fissiles (U-235, Pu-239) pour créer de l’énergie lors de leur fission comme c’est le cas dans les réacteurs actuellement en exploitation, mais aussi avec les atomes fertiles, comme l’uranium-238 (qui compose à plus de 99% l’uranium naturel) pour les transformer en matière fissile.

Par ailleurs, ces réacteurs utilisent un combustible associant de l’uranium appauvri (U-238) et du plutonium sous forme d’oxyde (combustible de référence), de carbure, de nitrure ou encore d’alliage métallique. Ces réacteurs n’utilisent pas de modérateur, cherchant ainsi à exploiter au maximum le potentiel énergétique du combustible. Le fluide caloporteur est un métal liquide (le sodium ou le plomb) ou un gaz (comme l’hélium ou le CO₂).

Les autres réacteurs à l’étude sont :

• le réacteur à très haute température, refroidi à l’hélium (RTHT) ou Very High Temperature Reactor System (VHTR) ;
• le réacteur à eau supercritique (RESC) ou Supercritical Water-cooled Reactor System (SCWR) ;
• le réacteur à sels fondus (RSF) ou Molten salt reactor system (MSR). Le combustible nucléaire se présente sous forme liquide, dissous dans du sel fondu (600 à 900 °C) qui joue à la fois le rôle de caloporteur et de barrière de confinement.

Les bases de la réflexion sur des systèmes nucléaires avancés dits de 4^ème génération ont été jetées par le Forum international génération IV (GIF), association intergouvernementale lancée en 2000 à l’initiative du département de l’énergie des États-Unis (DOE). Quatorze pays ont participé au Forum en 2019, contre neuf lors de sa fondation. Toutefois, dix pays seulement ont signé le « Framework agreement » (Accord-cadre) définissant les règles juridiques de collaboration car, pour des raisons historiques ou de choix technologiques, l’implication de chaque pays dans ces concepts demeure variable.

Différentes technologies sont déjà à l’étude pour succéder aux réacteurs actuels (les réacteurs de Génération II, actuellement en fonctionnement et ceux de Génération III, comme l’EPR). La conception d’un réacteur nucléaire nécessite en effet des années de recherche (environ 20 ans voire plus si la maturité du concept est faible) avant même d’initier le processus de sa construction.

Les RNR à caloporteur sodium sont actuellement les plus avancés des réacteurs de 4^ème génération. La Russie (BN-600 & BN-800) et la Chine (CFR600) en exploitent à l’échelle industrielle. L’Inde, le Japon et les États-Unis ont des projets de recherche avec des démonstrateurs en développement ou en construction. En France, trois réacteurs de recherche RNR-Na ont fonctionné : Rapsodie de 1967 jusqu’à 1983, Phénix de 1973 à 2009 et Superphénix de 1986 à 1997. Ce dernier était un démonstrateur industriel et a produit de l’électricité.

La filière des réacteurs à neutrons rapides est prometteuse car elle optimise la fission de l’uranium et permet un multi-recyclage avancé du combustible. Si ces réacteurs venaient à remplacer ceux existants, le combustible usé stocké à l’échelle mondiale et les stocks d’uranium appauvri suffiraient pour les alimenter pendant plusieurs siècles.

À noter que certains réacteurs de 4^ème génération pourraient se déployer en tant que petits réacteurs modulaires avancés (AMR). De nombreux acteurs émergents en France et dans le monde travaillent notamment sur différents concepts de petits réacteurs de 4^ème génération. ■