Le nucléaire de 4e génération

Pourquoi s’orienter vers des réacteurs à neutrons rapides de 4° génération ? 15/01/2014
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2013-5:9550

Résumé

Le nucléaire de 4e génération

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REE N°5/2013 33 LES GRANDS DOSSIERSIntroduction Besoin vital et facteur de croissance, la maî- trise de l’approvisionnement d’un pays en éner- gie est un enjeu majeur du monde de demain. L’industrie nucléaire dispose à cet égard de sé- rieux atouts tout en étant confrontée à la maîtrise technico-économique de problématiques de sûreté, de durabilité des ressources et de gestion responsable des déchets qui imposent de pour- suivre sur la voie de l’innovation technologique. Certains chiffres parlent d’eux-mêmes : en 2030, la consommation énergétique mondiale devrait augmenter de 50 % par rapport à celle de 2005, sous l’effet conjugué de l’augmentation de la population – nous passerons de 7 milliards aujourd’hui à 9 à 10 milliards en 2050 – et de la croissance des pays émergents (figure 1). Les pays hors Organisation de coopération et de développe- ment économiques (OCDE) devraient représenter plus de 80 % de cette hausse. En regard de cette demande, l’Europe doit faire face à un certain nombre de contraintes, parmi lesquelles la lutte contre le réchauffement climatique, la raréfaction des res- sources énergétiques, la sûreté d’approvisionnement, la maîtrise des coûts de l’énergie et la préserva- tion de sa balance commerciale. Là encore les chiffres parlent d’eux-mêmes : parmi les diffé- rentes sources d’émission de CO2 , la produc- tion électrique domine largement avec 27 % de la production anthropique totale, loin devant l’industrie, les transports routiers ou encore les secteurs résidentiels et tertiaires (figure 2). Autre exemple, la dépendance énergétique de l’Eu- rope ne cesse d’augmenter ; en 2035 le taux de dépendance à l’importation devrait atteindre les 80 %. Dans ce contexte, il apparaît de plus en plus indispen- sable de disposer de sources d’énergie à la fois compétitives et à bas carbone, permettant de garantir indépendance éner- gétique et sécurité d’approvisionnement. Face à ces enjeux, l’énergie nucléaire a un rôle incontour- nable à jouer, en synergie avec les énergies renouvelables, puisqu’elles constituent les seuls modes de production d’électricité non émetteurs de gaz à effet de serre (figure 3). Leurs natures sont fondamentalement différentes, les amenant à intervenir en complémentarité : grandes unités fonctionnant en base pour la production d’énergie nucléaire ; Pourquoi s’orienter vers des réacteurs à neutrons rapides de 4e génération ? Figure 1 : Prévisions des Nations Unies pour la population mondiale. Source : DPNU (2006). Energy management — a vital need and a factor of economic growth — is a major challenge for the world of tomorrow. The nuclear industry has significant advantages in this regard, but it must face the safety, resource sustainability and waste mana- gement issues which must be addressed through continuous technological innovation. The CEA is responsible in France for conducting research on innovative “4th generation” nuclear systems representing a major technological breakthrough compa- red with the previous generations of reactors. The research effort focuses on two fast reactor systems: gas-cooled fast reactors, as a long term option, and sodium-cooled fast reactors, with the Astrid integrated technology demonstrator project for which the CEA is the owner. This choice is motivated by the many advantages of these technologies. Especially fast reactors make excellent use of uranium resources, are capable of multiple recycling of plutonium and contribute to the management and reduction of long-life radioactive waste volumes. ABSTRACT Christophe Béhar Directeur de l’énergie nucléaire au CEA © LaurenceGodart-CEA 34 REE N°5/2013 LES GRANDS DOSSIERS Introduction petites unités décentralisées et intermittentes pour les éner- gies renouvelables. Si leur synergie est un atout considérable pour rendre vertueux les mix énergétiques futurs, l’innovation est une nécessité pour conserver cet atout sur le long terme. En étant capable de produire de l’électricité en masse, sans générer de gaz à effet de serre, le nucléaire dispose d’atouts qui lui permettent de s’imposer comme l’une des solutions prometteuses pour l’avenir, au sein d’un mix énergétique décarboné. 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 tou- jours été un moteur du développement de cette industrie. Aujourd’hui, cette innovation passe par le développement de systèmes nucléaires du futur, dits de 4e génération. La Direction de l’énergie nucléaire du Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) est char- gée de mener pour la France les recherches sur des systèmes nucléaires innovants, dits de 4e génération, à neutrons rapides, en rupture technologique forte par rapport aux précédentes générations de réacteurs du même type. Le CEA concentre ses recherches sur deux filières de réacteurs, toutes deux dites à neutrons rapides : une filière refroidie au gaz, qui apparaît comme une option à long terme dont la faisabilité n’est pas encore démontrée, et une filière refroidie au sodium, avec le projet de démonstrateur technologique Astrid (Advanced Sodium Technological Reactor for Industrial Demonstration), dont le CEA est maître d’ouvrage, pour les études. Le concept de réacteur à neutrons rapides (RNR) refroidi au gaz (RNR-G) Il représente une option à long terme, car les verrous tech- nologiques à lever, en termes de matériaux, de combustible réfractaire ou de sûreté, sont importants. Son développe- ment s’appuie sur un projet de réacteur expérimental de petite taille, appelé Allegro, dont la conception est portée par un consortium européen constitué de quatre instituts (VUJE Slovaquie, UJV République tchèque, MTA-EK Hon- grie, NCBJ Pologne) hébergeant chacun une composante de la recherche et développement (R&D) et pour lequel le Figure 2 : Examen des sources d’émission de CO2 anthropiques locales. Source : GIEC 2007. Figure 3 : Emissions de gaz à effet de serre de certaines filières énergétiques. Source : Perspectives de l’énergie nucléaire 2008, AEN. REE N°5/2013 35 LES GRANDS DOSSIERSIntroduction CEA intervient en soutien. Le premier prototype non élec- trogène dans un premier temps sera nécessairement de très faible puissance et ne saurait fonctionner avant 2030. Le concept de RNR refroidi au sodium (RNR-Na) Il s’agit de la filière de référence pour les réacteurs à neutrons rapides de 4e génération, avec une dimension internationale potentielle et une maturité qui peuvent permettre un déploiement, en France dès l’horizon 2040, et plus tôt dans d’autres pays, si cela est nécessaire. En France, les études sont pilotées par le CEA, autour du pro- jet de démonstrateur technologique Astrid, actuellement en phase d’avant-projet sommaire. Tout en bénéficiant de l’expérience des RNR ayant déjà fonctionné dans le monde (près de 400 années x réacteur dont 100 en opé- rations industrielles), il se différenciera fortement des RNR des générations précédentes. Les systèmes nucléaires à neutrons rapides présentent trois intérêts majeurs : - nium produit par le parc actuel des réac- teurs à eau légère (REL) ; - nium (dans les systèmes actuels, seul l’isotope minoritaire uranium 235 (235 U) est utilisé), y compris l’uranium appauvri et celui de retraitement issu du combus- tible usé sorti des centrales actuelles. Avec l’uranium appauvri alors présent sur le territoire français et le plutonium issu du combustible usé des centrales ac- tuelles, on pourrait fonctionner pendant plusieurs milliers d’années en se passant totalement d’uranium naturel ; la possibilité de transmuter certains acti- nides mineurs, qui sont les principaux contributeurs de l’émission de chaleur des colis vitrifiés et de la radiotoxicité résiduelle à long terme des déchets ultimes. Il est ainsi possible d’envisa- ger une réduction d’un facteur 10 de l’emprise de la zone de stockage des déchets de haute activité à vie longue (HA -VL), et, au-delà de quelques siècles, une diminution jusqu’à un facteur 100 de l’inventaire de radiotoxicité conte- nue dans ces déchets : ainsi, en moins de 500 ans, il re- trouve un niveau équivalent à celui de tout l’uranium extrait pour fabriquer les combustibles actuels. En étant capable de produire de l’électricité en masse, sans générer de gaz à effet de serre, le nucléaire dispose d’atouts qui lui permettent de s’imposer comme l’une des solutions prometteuses pour l’avenir, au sein d’un mix éner- gétique décarboné. 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 nécessitent de poursuivre sur la voie de l’innovation techno- logique, pour développer des systèmes nucléaires du futur, dits de 4e génération. Le présent dossier, établi par le CEA, fait le point sur ces systèmes nucléaires, tant d’un point de vue « réacteur » que d’un point de vue « cycle du combustible associé ». Il se structure en trois articles : François Gauché, présente l’ensemble des attendus des systèmes nucléaires de 4e génération, notamment en termes de performances et de sûreté, tout en soulignant les en- jeux spécifiques aux systèmes à neutrons rapides. François Gauché, fait le point sur le démonstrateur technologique de 4e génération à neutrons rapides, Astrid, actuellement en phase d’étude et dont le CEA est maître d’ouvrage. Bernard Boullis, traite du cycle des matières du futur : ses enjeux et ses implications en termes de recherche et développement. Christophe Béhar est ingénieur, diplômé de l’Ecole centrale de Paris. Il entre au CEA à Saclay en 1984 pour travailler sur la séparation isotopique de l’uranium. Il devient chef du Département des techno- logies de l’enrichissement en 1997. En 2000, il est nommé directeur des matières, de la surveillance et de l’environnement au sein de la Direction des applications mili- taires (DAM) du CEA. En 2004, il devient Directeur du Centre CEA/ DAM-Île de France, établissement chargé de la conception des charges nucléaires françaises, de la lutte contre la prolifération et le terrorisme nucléaire et de l’alerte aux autorités en cas de catastrophe naturelle. Depuis avril 2009, Chris- tophe Béhar est Directeur de l’éner- gie nucléaire au CEA. Cahier des charges pour les réacteurs nucléaires du futur Par François Gauché .................................................................................................................................................................... p. 38 Astrid, démonstrateur technologique du nucléaire de 4e génération Par François Gauché .................................................................................................................................................................... p. 46 Le cycle du combustible futur Par Bernard Boullis ..................................................................................................................................................................... p. 54 LES ARTICLES 36 REE N°5/2013 LES GRANDS DOSSIERS Introduction Influence de la vitesse des neutrons sur la réaction en chaîne Dans un réacteur nucléaire, la réaction de fission consiste à ce qu’un neutron interagisse avec un noyau fissile, qui se brise alors en deux ou trois morceaux en libérant de l’énergie et quelques neutrons. Ces nouveaux neutrons, qualifiés de rapides1 , ont une énergie d’environ 2 MeV ce qui correspond à une vitesse d’environ 20 000 km/s. Si on ralentit les neutrons par des collisions avec des éléments légers comme l’hydrogène présent dans l’eau, leur vitesse baisse jusqu’à atteindre l’agitation moyenne du milieu caractérisée par sa température. On parle alors de neutrons thermiques. Leur énergie est d’environ 0,025 eV (2,2 km/s). Les neutrons émis par une fission peuvent donner lieu à de nouvelles fissions. On appelle cela la réaction en chaîne. La probabilité qu’un neutron soit absorbé et donne lieu à une fission dépend du noyau considéré et de la vitesse du neutron. Ces probabilités sont données sous forme de « sections efficaces » en fonction de l’énergie des neutrons (le spectre neutronique désigne la distribution de l’énergie des neutrons dans un réacteur) (figure 1). Dans un réacteur, de la matière fissile, comme par exemple l’235 U ou le plutonium 239 (239 Pu) est consommée par des réactions de fission. Mais les absorptions de neutrons par des noyaux dits « fertiles » contribuent à produire de la matière fissile. C’est le cas quand un neutron est absorbé par de l’uranium 238 (238 U) pour donner naissance à du 239 Pu fissile. Dans la plupart des réacteurs actuels, le ratio entre production et consommation de matière fissile est inférieur à 1 (mode sous-générateur) et il faut alimenter le système en matière fissile. Dans les RNR, c’est-à-dire des réacteurs dans lesquels on a évité de ralentir les neutrons, il est possible d’avoir un ratio entre production et consommation de matière fissile égal à 1 (mode iso-générateur). Le système n’a plus besoin d’appoint en matière fissile et se contente d’un appoint en matière fertile (238 U = plus de 99 % de l’uranium naturel). Ceci permet d’utiliser de façon beaucoup plus efficace la ressource naturelle, et même de s’en passer. D’une génération à l’autre Les premiers réacteurs électronucléaires ont été construits au cours des années cinquante aux Etats-Unis, en Union soviétique et en France. Depuis, plusieurs générations de réacteurs sont apparues à travers le monde et on en distingue quatre aujourd’hui (figure 2). Ce classement correspond aux progrès majeurs intégrés dans chaque génération en termes de sûreté de fonctionnement, de sécurité et d’économie du combustible ou encore de compétitivité. Depuis le lancement, en 2001, du GIF (Generation IV International Forum) dédié aux recherches sur les « réacteurs du futur », les professionnels distinguent quatre générations de réacteurs à fission nucléaire. Chaque génération répondait à des objectifs liés aux enjeux majeurs de l’époque de leur conception. Compte tenu de la durée de vie de ces équipe- ments, on trouve encore en activité ou en cours de construction, des réacteurs de différentes générations. La 1re génération de réacteurs nucléaires comprend les prototypes et les premiers réacteurs de taille industrielle à usage commercial mis au point dans les années cinquante et soixante et entrés en service avant les années soixante-dix. Conçus dans l’immédiat après-guerre (1939-1945), ces réacteurs devaient faire la démonstration du potentiel de la puis- 1 Des neutrons sont qualifiés de rapides quand ils ont une énergie supérieure à 0,1 MeV. Figure 1 : Rapport entre les sections efficaces de fission et les sections efficaces d’absorption neutronique pour des isotopes de l’uranium, de plutonium et d’actinides mineurs en REP et en RNR. Source : Robert N. Hill/Argonne National Laboratory, ACS meeting, 2007. REE N°5/2013 37 LES GRANDS DOSSIERSIntroduction sance atomique mise au service de l’énergie civile. Durant cette période, la France, qui ne disposait pas des technologies d’enrichissement de l’uranium, a développé une filière technologique utilisant l’uranium naturel graphite gaz (UNGG) comme combustible. Les réacteurs nucléaires de 2e génération sont entrés en service à partir des années soixante-dix. Ils correspon- daient à la nécessité d’une meilleure compétitivité de l’énergie nucléaire et d’une amélioration de l’indépendance éner- gétique, dans un contexte de fortes tensions sur le cours des énergies fossiles (choc pétrolier). La majorité des réacteurs actuellement en exploitation dans le monde sont des réacteurs de 2e génération. En France, il s’agit principalement de la filière à eau sous pression, une technologie américaine adaptée par EDF et AREVA. Des prototypes de RNR ont également été construits en France sur cette période. Ils répondaient aux mêmes objectifs, mais le ralentissement du développement du nucléaire dans les années quatre-vingt, ajouté à la découverte de nouveaux gisements d’uranium, les ont rendus moins prioritaires. La 3e génération de réacteurs nucléaires, qui s’apprête aujourd’hui à prendre progressivement le relais, met l’accent sur les impératifs liés à la sûreté et à la sécurité (résistance renforcée aux agressions externes comme la chute d’avion, absence de rejets précoces ou importants en cas de fusion du cœur). Ces réacteurs tirent les enseignements du retour d’expérience de l’exploitation des réacteurs de 2e génération, des accidents de Three Mile Island et de Tchernobyl ainsi que des attentats du 11 septembre 2001. Trois réacteurs répondent à ces critères : l’EPRTM français (European Pressu- rized Reactor), l’AP1000 américano-japonais (Advanced Pressurized de 1 000 MWe) et l’AES 2006, dernier modèle de 1 200 MWe du VVER russe (Voda Voda Energo Reactor). La 4e génération correspond aux réacteurs, actuellement en conception, qui pourraient voir un déploiement indus- triel à l’horizon 2040-2050. Ils sont en rupture technologique avec ce qui a été réalisé jusqu’à présent. Les recherches sur ces systèmes du futur sont menées dans le cadre du GIF, qui a établi les quatre critères auxquels ils devront répondre : la durabilité, la sûreté, la compétitivité économique et la résistance à la prolifération nucléaire. En 2006, le CEA a été mandaté par l’Etat pour étudier la conception d’un réacteur de 4e génération à neutrons rapides. Générations et filières technologiques La notion de « génération » est distincte de celle des « filières technologiques », une génération pouvant inclure différentes technologies de réacteurs. Les différences entre les générations correspondent à des critères d’exigences spécifiques à chaque période. Les filières correspondent à des choix d’options technologiques. Parmi elles, trois carac- téristiques majeures permettent de classer les réacteurs en différentes filières : la nature de la matière fissile utilisée comme combustible nucléaire ; le fluide caloporteur, qui permet de récupérer la chaleur produite au niveau du cœur et de l’acheminer ; le modérateur, qui détermine l’énergie moyenne des neutrons dans le cœur du réacteur. Il faut aussi noter qu’il est fort probable que les réacteurs de 3e et 4e générations cohabitent durablement dans la seconde moitié du 21e siècle. Figure 2 : Le calendrier des générations nucléaires.