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L'Usine de l'Energie

Le nucléaire après Fukushima

Ludovic Dupin ,

Publié le

Enquête Alors que les réacteurs de troisième génération sortent de terre, non sans débat, les spécialistes préparent déjà leurs successeurs. La France travaille sur un prototype baptisé "Astrid".

Le nucléaire après Fukushima © D.R.

Pas écolo le nucléaire ? C'est l'image qu'il donne, à en croire les négociations pré-électorales entre le Parti socialiste et les Europe Écolologie-Les Verts, ou suite aux décisions allemande et belge de sortir de l'atome. Pourtant, les tenants de l'électricité nucléaire croient aux qualités de cette énergie peu carbonnée pour faire face aux défis climatique et énergétique. L'acquisition d'un véritable label vert pourrait passer par un saut technologique que prépare la filière : la quatrième génération. Une vraie rupture. Au point que le Commissariat à l'énergie atomique (CEA) parle de "nucléaire durable" !

Le concept de quatrième génération est né en l'an 2000 aux États-Unis, dans les bureaux du Department of Energy (DoE). Il implique, pour les réacteurs du futur, de répondre à quatre ambitions : un haut niveau de sûreté, une production du kWh à bas coût, une résistance à la prolifération et, surtout, une préservation de la ressource en uranium. La capacité d'innovation des laboratoires et des industriels porte sur ce dernier point. Selon l'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) et l'Agence de l'énergie atomique (AEN), les réserves mondiales d'uranium connues s'élèvent à 5,5 millions de tonnes. Reste à découvrir 10,5 millions de tonnes d'uranium conventionnel et 22 millions de tonnes non conventionnelles. Les réacteurs de deuxième et de troisième générations devraient épuiser ce potentiel en un siècle environ, voire un peu moins...

QUATRE AMBITIONS

Préserver les ressources en uranium, grâce au recyclage Produire un kWh au même prix qu'aujourd'hui, voire moins cher Écarter la prolifération des matériaux fissiles Disposer de réacteurs plus sûrs que l'EPR.

 

En 2001, le Forum international Génération IV, organisme s'appuyant sur l'AEN et regroupant une dizaine de pays dont la France, a identifié six filières à même de préserver les ressources en matière première. Trois sont dites à neutrons rapides : réacteur rapide à caloporteur gaz, réacteur à neutrons rapides à caloporteur sodium, réacteur rapide à caloporteur plomb. Les trois autres sont à neutrons lents : réacteur à très haute température, réacteur à eau supercritique, réacteur à sels fondus. "Le Forum Génération IV n'a pas encore pour vocation de faire un choix entre ces filières, explique Thierry Dujardin, le directeur adjoint à l'AEN et responsable du secrétariat technique du forum. Son objectif est de tester les six concepts et de sélectionner à terme les meilleurs. Mais dans les faits, il y a des filières plus avancées que d'autres à cause des choix nationaux de pays membres."

La filière la plus avancée

La France s'est penchée sur plusieurs de ces technologies et elle a arrêté son choix en 2009 sur la filière à neutrons rapides utilisant le sodium comme caloporteur. Le CEA a été chargé d'étudier la construction d'un prototype baptisé "Astrid" pour "Advanced sodium technological reactor for industrial demonstration". Le chantier de ce réacteur de 600 MW devrait débuter en 2017 sur le site de Marcoule (Gard). Dans le cadre des investissements d'avenir, 650 millions d'euros ont été débloqués pour réaliser les études préparatoires et 500 personnes sont mobilisées au CEA. À cela s'ajoutent les moyens déployés par les partenaires industriels comme Areva, EDF, GDF Suez, Alstom, Onet Technologies, Rolls-Royce...

L'ATOME DE NOUVELLE GÉNÉRATION EN QUELQUES MOTS

Actinides : Dans un réacteur se forment plusieurs actinides, en particulier le plutonium et quelques actinides mineurs. Leur durée de demi-vie peut être très longue comme pour le neptunium 237 et ses 2,14 millions d'années.

MOX : Le mélange d'oxydes ou MOX contient peu de plutonium et une grande proportion d'uranium. Dans un réacteur de quatrième génération, la part du plutonium pourrait dépasser 10 %, voire 15 %.

Neutrons lents/rapides : Dans un réacteur à neutrons lents (comme les modèles actuels), les neutrons sont ralentis par un modérateur comme l'eau, contrairement aux neutrons rapides.

Plutonium : Le combustible usé contient 1 % de plutonium 239. Un isotope fissile réutilisable une fois dans les réacteurs actuels sous forme de MOX.

Uranium : L'uranium naturel contient deux isotopes, 99 % d'uranium 238 non fissile et 1 % d'uranium 235 fissile. Il est donc nécessaire d'enrichir le combustible en uranium 235 à hauteur de 3 % à 5 % pour l'utiliser.

 

La filière du sodium n'était pourtant pas une évidence pour l'Hexagone. "La mauvaise expérience de Superphénix a laissé penser un temps que cette technologie était maudite", s'amuse Jean Couturier, le directeur adjoint de la sûreté des réacteurs à l'Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire (IRSN). Dans les années 1970 et 1980, la France a en effet construit deux réacteurs à caloporteur sodium (lire "Trente ans d'expérience en France", page 82). Fortes de cette expérience et poussées par la crise économique, les autorités ont concentré leur budget sur la filière la plus avancée. Selon le CEA, cette technologie est la mieux à même de répondre aux exigences du législateur sur la gestion des déchets radioactifs. La loi du 28 juin 2006 impose d'axer les recherches sur un réacteur capable de réaliser la transmutation, c'est-à-dire de brûler dans le coeur du réacteur les actinides mineurs comme l'américium, le neptunium ou le curium. Ces éléments sont très radioactifs et leur durée de vie est très longue. Si les produits de fusion ultimes en sont débarrassés, leur durée de vie passe de 10 000 ans à... 300 ans. Le second intérêt est d'optimiser le cycle du combustible.

L'uranium naturel contient 99 % d'uranium 238 non fissile, et seulement 0,7 % d'uranium 235 fissile. Ce dernier doit donc être enrichi dans le combustible entre 3 % à 5 % pour être utilisé. Dans le combustible usé, environ 1 % de la matière est du plutonium. Il peut être réutilisé une fois, faiblement concentré sous forme de MOX dans les réacteurs actuels. Au final, seul quelques pour cent de l'uranium issu des mines sont brûlés... Le reste ne sert à rien. Astrid pourra brûler l'uranium 235 et multirecycler le plutonium. Le nouveau réacteur permet par ailleurs de transmuter l'uranium 238 non fissile en plutonium 239 fissile. Au final, pour une même quantité d'uranium, Astrid produira 50 à 100 fois plus d'électricité qu'un réacteur d'aujourd'hui ! De plus, la France entrepose environ 250 000 tonnes de combustible usé et de plutonium, l'équivalent de quelques siècles de réserves selon Areva... Le CEA est plus optimiste et parle d'un potentiel de 2 500 à 3 000 ans ! "En utilisant ces réserves, le cycle du combustible est extrêmement simplifié, s'enthousiasme Claude Béhar, le directeur de l'énergie nucléaire au CEA. On supprime les étapes de mines et d'enrichissement. C'est un vrai moyen de lutter contre la prolifération."

Rendez-vous en 2012

Plusieurs obstacles techniques subsistent pourtant. Tout d'abord, un réacteur à caloporteur sodium est sensible aux micro-ébullitions ou aux bulles de gaz. De tels événements peuvent entraîner un brutal accroissement de la réactivité du combustible. Ensuite, le sodium est très réactif à l'air et à l'eau, ce qui suppose des risques d'incendie et d'explosion. Enfin, le sodium, contrairement à l'eau, est opaque. L'observation de l'état des matériaux et des soudures est donc délicate. Ces verrous devront être surmontés par un design adapté de l'îlot nucléaire d'Astrid et par le développement d'outils de contrôle des installations adaptés. Jean Couturier, directeur adjoint de la sûreté des réacteurs à l'IRSN, prévient : "Nous serons attentifs à un accroissement significatif de la capacité de contrôle des matériaux."

Le premier rendez-vous pour proposer des solutions aura lieu en 2012 - sans doute après l'élection présidentielle - avec une première évaluation technique et économique d'Astrid. Les options de sûreté doivent être transmises en 2014 à l'Autorité de sûreté nucléaire (ASN). Il faudra aussi prendre en compte l'accident de Fukushima. Dans le cas de la filière sodium choisie par la France, le CEA et l'IRSN se disent assez confiants. Ces réacteurs possèdent une très grande inertie thermique et il aurait fallu plusieurs jours au coeur pour atteindre son point de fusion. "Ce délai laisserait le temps de remettre proprement des systèmes de refroidissement en place", assure Claude Béhar. Par ailleurs, les expériences menées sur le réacteur Phénix ont prouvé qu'en l'absence d'alimentation électrique du système de refroidissement, un mouvement de convection naturel apparaît au sein du sodium, permettant d'éliminer en partie la chaleur. Des capacités dont le monde ne bénéficiera toutefois pas avant une quarantaine d'années au mieux. L'industrialisation de ces réacteurs est imaginée en 2050 par Areva. La "4G" nucléaire pourrait alors s'emparer de 10 % à 20 % du marché mondial.

TRENTE ANS D'EXPÉRIENCE EN FRANCE

La France ne part pas de zéro en matière de nucléaire de quatrième génération. Elle a déjà construit deux réacteurs à sodium : Phénix et Superphénix. Le premier a été mis en service en 1974 et stoppé en 2009. Le second a eu une existence courte et tourmentée entre 1985 et 1999. Il a été arrêté par Lionel Jospin à la demande de ses alliés Verts suite à de nombreux incidents. Co-exploité par EDF et le CEA, Phénix a mieux fonctionné, même si cette installation de 240 MW a connu d'inexpliquées chutes de puissance. Il a prouvé la possibilité de brûler les actinides à très longue durée de vie (10 000 ans).

Il a aussi permis au CEA et à EDF de mettre en évidence des apports de sûreté en cas de perte du système de refroidissement. Le futur réacteur à sodium français, Astrid, sera-t-il un nouveau Superphénix ? Claude Béhar, le directeur de l'énergie nucléaire du CEA, balaie cette question : "Ce que nous faisons aujourd'hui ne peut pas être comparé à ce qui se faisait il y a quinze ans !". Martha Heintzmann, directrice R&D chez Areva, nuance : "Avec cette expérience passée, nous maîtrisons déjà des briques technologiques."

CINQ TECHNOS DE RÉACTEURS...

À NEUTRONS RAPIDES À CALOPORTEUR ALLIAGE DE PLOMB Pays Europe, Japon 1er prototype 2025 La filière plomb présente l'avantage d'optimiser l'utilisation de l'uranium, mais aussi d'employer le thorium comme combustible. Toutefois, l'utilisation de plomb pose des problèmes de résistance des matériaux.

À NEUTRONS RAPIDES À CALOPORTEUR HÉLIUM Pays Europe (dont France), Japon, Suisse Démonstrateur 2020 Ces réacteurs sont proches de la filière sodium privilégiée en France. Ils optimisent l'utilisation de l'uranium, du plutonium et brûlent les actinides. Mais ils imposent le développement de matériaux pour le coeur.

À SELS FONDUS Pays Europe (dont France) 1er prototype non planifié Filière complexe, les réacteurs à sels fondus n'utilisent pas un coeur solide mais un combustible dissout dans les sels. Il permet par ailleurs d'utiliser le thorium en plus de l'uranium enrichi.

À TRÈS HAUTE TEMPÉRATURE Pays Canada, Europe (dont France), Japon, Corée du Sud, Suisse, États-Unis, Chine, Allemagne 1er prototype 2020 Les réacteurs à haute température combinent la production d'électricité et d'hydrogène. Cette filière est souvent imaginée pour accompagner l'essor des voitures à piles à combustible.

À EAU SUPERCRITIQUE Pays Canada, Europe, Japon 1er prototype non planifié Plusieurs laboratoires jugent l'eau supercritique comme la plus importante rupture technologique. Elle permet d'atteindre des rendements thermodynamiques de 50 % mais pose des problèmes de corrosion.

 

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