La 4ème génération d’énergie nucléaire : moins chère, plus propre, plus sûre

De la science-fiction à la stagnation

Dire que l’énergie nucléaire est controversée est un euphémisme. Beaucoup y voient une idée extrêmement dangereuse, évoquant comme preuve le spectre de Tchernobyl et de Fukushima, et le problème des déchets nucléaires comme un problème insoluble. D’autres y voient une technologie susceptible de sauver la civilisation, grâce à sa capacité à produire de l’électricité de base avec des émissions de carbone et une empreinte terrestre extrêmement faibles.

Cette division existait très tôt, avant même que le changement climatique ne soit un sujet.

Le monde a pris conscience de l’extraordinaire puissance du nucléaire avec les bombardements atomiques d’Hiroshima et de Nagasaki, bientôt suivis par l’invention de la bombe H et la guerre froide. Depuis ces origines, le potentiel destructeur de notre nouvelle maîtrise de l’atome était évident.

Bientôt, l’idée de l’exploiter à des fins pacifiques s’est également imposée. Le premier était le «Atome pour la paix», puis une vague massive de construction de centrales nucléaires dans le monde entier. Pendant un certain temps, il semblait clair que l’avenir était nucléaire et que la combustion du charbon, du pétrole et du gaz serait bientôt aussi obsolète que les pittoresques moulins à vent des Pays-Bas.

En pratique, la production d’énergie nucléaire a cessé de croître à la fin des années 1990, après Tchernobyl, et stagne depuis à l’échelle mondiale, la production croissante de la Chine compensant le déclin de l’industrie nucléaire européenne.

Source: Énergie nucléaire – Notre monde en données

Pendant de nombreuses années, seules la Chine et la Russie semblaient disposées à développer l’énergie nucléaire.

Surtout la Chine qui, comme le dit The Economist, est «construire des réacteurs nucléaires plus rapidement que n'importe quel autre pays ».

Source: The Economist

Aujourd’hui, l’énergie nucléaire fait son grand retour à l’échelle mondiale, à une échelle inimaginable il y a quelques années, avec de nombreuses nouvelles pointant vers un changement de politique dans la majeure partie du monde :

• Le Japon accélère ses efforts pour redémarrer la plus grande centrale nucléaire du monde
• La secrétaire américaine à l'Énergie, Jennifer Granholm, appelle à tripler le parc nucléaire américain
• Le nouveau nucléaire inclus dans le projet de plan énergétique coréen
• La France abandonne ses objectifs en matière d’énergies renouvelables et donne la priorité au nucléaire dans sa nouvelle facture énergétique
• Le Royaume-Uni envisage de construire un nouveau réacteur nucléaire en Écosse
• L'Inde construira 18 réacteurs nucléaires d'une capacité de 13.8 GW d'ici 2032

Le chaînon manquant de la décarbonisation ?

Les inquiétudes en matière de sécurité sont toujours d’actualité et justifient la décision de l’Allemagne de fermer ses centrales nucléaires.

Cependant, les préoccupations concernant les émissions de carbone et le changement climatique deviennent de plus en plus pressantes, et l’énergie nucléaire est en fait la plus petite émettrice de toutes les sources d’énergie, mieux encore que l’éolien et le solaire, qui nécessitent beaucoup plus de terres et de matières premières.

Source: Notre monde en données

Bien que spectaculaire et aux conséquences durables, le nucléaire est aussi, en pratique, aussi sûr que les énergies renouvelables si l’on mesure les morts qu’il a causées, même en incluant les catastrophes majeures.

Ainsi, objectivement, le nucléaire devrait probablement être l’un des outils utilisés pour décarboner le réseau électrique et l’économie dans son ensemble. Cela est d’autant plus vrai que nous avons de plus en plus besoin d’énergie pour l’électrification des transports (VE) et du chauffage (pompes à chaleur), ainsi que de nouveaux besoins comme les centres de données IA.

La quantité de charbon, de pétrole et de gaz à remplacer est stupéfiante. Même si l’on considère les progrès réalisés dans l’adoption des énergies renouvelables et des véhicules électriques, elles représentent encore aujourd’hui l’immense majorité de notre consommation d’énergie.

Source: Notre monde en données

Et les déchets nucléaires ?

Le véritable profil de sûreté du nucléaire laisse cependant de côté la question des déchets nucléaires.

L’idée de laisser aux générations futures des déchets toxiques qui seront dangereux pendant une période bien plus longue que celle de la Grande Pyramide est pour le moins affligeante.

Faut-il empoisonner l’avenir pour sauver le climat ? Heureusement, au moins deux séries de solutions émergent du progrès technologique pour répondre à ce dilemme.

La première option consiste à recycler les déchets nucléaires, et la seconde consiste à ne produire quasiment aucun déchet nucléaire. Les deux font partie de ce qu'on appelle les 4^th génération de centrales nucléaires.

Pour plus de détails, voir ci-dessous les réacteurs rapides et les réacteurs au thorium.

Bien entendu, plus tard, d’autres solutions pourraient être adoptées, comme évacuer ces déchets hors du monde grâce à des fusées ultra-fiables. Mais pour l’instant, il est peu probable que le risque de pulvériser des déchets nucléaires sur la moitié d’un continent en cas d’échec du lancement soit jugé acceptable.

Générations de centrales nucléaires

Les 1^st La génération de centrales nucléaires était essentiellement des prototypes sans utilisation commerciale.

Les 2^nd La production de centrales nucléaires représente l’essentiel du parc actuel. Ils ont été construits entre 1965 et 1996.

Les 3^rd génération de centrales nucléaires a été construite suite aux enseignements tirés du 2^nd génération et a tenté de remédier aux défauts qui ont conduit à des catastrophes nucléaires rares mais catastrophiques. Ils ont été construits entre 1996 et 2016. Parfois, une génération 3+ est décrite comme les générateurs construits au cours de la période 2017-2021, en mettant l'accent sur une sécurité accrue.

La 4e génération d’énergie nucléaire n’en est qu’à ses débuts et représente une rupture par rapport aux précédentes, avec un objectif de nouvelle conception, de nouveau concept et peut-être même de changement de combustible nucléaire au lieu d’améliorations progressives.

Il y a aussi un 5^thcentrale nucléaire de génération en discussions. Ces conceptions sont théoriquement possibles mais n’ont pas fait l’objet de recherches actives. Cela est généralement dû à des problèmes de viabilité économique, à des technologies manquantes ou à des préoccupations en matière de sécurité.

4^th Centrales nucléaires de production

Qu’est-ce qui fait qu’une centrale nucléaire fait partie des 4^th génération est un sujet vivement débattu parmi les experts du secteur.

Dans cet article, nous discuterons principalement de la conception d’installations s’écartant radicalement des 3^rd conceptions de génération.

Et nous essaierons de garder l’explication aussi simple que possible, en passant sous silence certains détails si nécessaire.

Réacteur à Très Haute Température (VHTR)

Cette conception se caractérise par des températures très élevées, de l’ordre de 1,000 4°C. C'est le seul XNUMX^th centrale nucléaire de production d'électricité déjà en activité, avec le lancement commercial en 2023 de la centrale nucléaire de Huaneng Shandong Shidao Bay, dans l'est de la Chine.

La conception repose souvent sur un « lit de galets », où des sphères de céramique suffisamment petites pour être tenues en main protègent un noyau d’uranium, avec des dizaines de milliers de ces sphères dans un seul réacteur.

Source: CGTN

X-Énergie développe également une technologie similaire aux États-Unis.

Étant donné que la réaction nécessite une température élevée et est refroidie passivement, il s'agit d'une conception intrinsèquement plus sûre que 3^rd centrales nucléaires de production.

L'avantage de la conception à galets est de permettre un remplacement sans interrompre la production du réacteur, la céramique évitant également tout risque de fuite de matière radioactive.

Réacteur à sels fondus (MSR)

Dans ces réacteurs, le liquide de refroidissement est un mélange de sels fondus au lieu d'eau ou de gaz. Dans certains cas, le carburant est également contenu dans le sel fondu.

Les réacteurs à sels fondus ont tendance à avoir un rendement plus élevé, à brûler le combustible plus efficacement et à créer moins de déchets nucléaires. Parce qu'ils sont plus chauds, ils sont parfois regroupés avec les VHTR dans la catégorie « réacteur thermique ».

Cependant, les sels fondus présentent un problème : leur corrosivité, aggravée par la fragilisation potentielle de la structure par la radioactivité. Cela nécessite une maintenance et des contrôles extrêmement rigoureux des tuyauteries, pompes, etc. du système.

Thorium

Depuis les années 1950, presque tous les réacteurs utilisent de l'uranium comme combustible. Cela amène les gens à supposer que c’est la seule solution.

Mais il s’agissait en réalité d’un choix essentiellement politique, dans la mesure où les centrales à uranium produisent du plutonium. À l’époque, cela était considéré comme une bonne chose, car cela aidait les puissances nucléaires à créer le matériel nécessaire aux bombes nucléaires.

Une alternative avec sa ressource 3 fois supérieure à celle de l'uranium est l'élément thorium. Il est également très peu probable que les sous-produits d’un réacteur au thorium soient transformés en matière pour des armes atomiques.

Source: ACS

Un autre avantage clé du thorium est la possibilité de produire jusqu'à 100 fois moins de déchets, du moins en utilisant une conception de réacteur au fluorure liquide et au thorium (un réacteur au thorium à sels fondus).

Ici, la Chine est également en tête avec un réacteur au thorium qui peut fonctionner sans eau, ce qui en fait un bon choix pour les régions désertiques. Et avec les porte-conteneurs seront propulsés par un réacteur au thorium révélé par la China State Shipbuilding Corporation (CSSC).

Réacteurs rapides / surgénérateurs / brûleurs

Les réacteurs rapides dépendent de « neutrons rapides » qui ne sont pas ralentis par des modérateurs comme dans les réacteurs nucléaires classiques. Cela permet de concevoir le réacteur pour qu'il puisse utiliser les neutrons rapides pour consommer des éléments faisant partie de la famille des actinides (dont l'uranium et le plutonium).

Source: Notes scientifiques

Étant donné que le combustible des réacteurs classiques se transforme en un mélange complexe d’actinides à vie longue, cette classe d’éléments constitue le principal problème des déchets nucléaires.

Les réacteurs à brûleur transmuent la plupart des actinides problématiques dans le combustible nucléaire usé, rendant les déchets traités qui en résultent moins actifs, 90 à 98 % moins volumineux et problématiques pendant seulement des décennies ou des siècles au lieu de millénaires.

Cette catégorie de réacteurs est généralement classée en fonction de son système de refroidissement, qui peut utiliser gaz, sodium, or conduire.

Bien que classé 4^th génération, il ne s’agit pas vraiment d’une technologie nouvelle ou non testée. Notamment, la France phénix et Superphénix a brûlé des déchets nucléaires tout au long des années 1970-1990, avant d'être finalement fermé pour des raisons de coûts d'exploitation et de pression politique du parti Vert.

Les versions modernes des réacteurs surgénérateurs rapides incluent, par exemple, les réacteurs conçus mais non construits. PRISME de GE-Hitachi.

Petits réacteurs modulaires (SMR) et microréacteurs

La plupart des réacteurs nucléaires sont conçus comme les grandes centrales électriques que nous considérons comme des centrales nucléaires.

Un nouveau type de conception cherche à réduire la taille des centrales nucléaires à une taille qui pourrait être transportée par un camion (SMR) ou même dans un conteneur standard (microréacteurs).

Source : Nuscale

Dans l'ensemble, les SMR devraient être utilisés pour alimenter le réseau ou de grands processus industriels, tandis que les microréacteurs seront plus probablement utilisés dans les zones reculées, installations militaires, et l'exploration spatiale.

La taille réduite et la conception standardisée devraient également faciliter l’adoption des SMR pour les petits pays.

Un autre avantage des SMR est qu’ils peuvent être produits en série, comme des camions ou des navires, au lieu de la conception personnalisée unique habituellement privilégiée par l’industrie. En théorie, cela devrait permettre des économies d’échelle et une réduction des coûts.

En pratique, les coûts pourraient être plus élevés que prévu, du moins pour les prototypes. Cela a entraîné une légère baisse de l’enthousiasme à l’égard des SMR, après avoir été peut-être un peu surfait.

Il est néanmoins probable que les SMR se développeront rapidement, avec par exemple des projets progressant dans Finlande, Norvege, Pologne, USA, Canada et Argentine.

Vous pouvez en savoir plus sur l’état de la technologie SMR dans notre article «Le point sur les SMR (Small Modular Reactor) – Toujours l’avenir de l’énergie nucléaire »

Centrale nucléaire flottante

Bien que ce ne soit peut-être pas techniquement 4^th production, les centrales électriques flottantes constituent un nouveau concept qui s'écarte radicalement du concept habituel de centrale nucléaire.

Principalement défendu par le russe Rosatom, ce concept diffère des navires à propulsion nucléaire, comme par exemple certains porte-avions.

Ici, tout le but du navire est d’être une centrale électrique, bien que mobile et flottante. En raison de contraintes de taille, cela pourrait également être décrit comme un SMR, bien que très volumineux.

Source: Technologie de puissance

L'application de ces concepts s'est déroulée dans l'Arctique russe, alimentant les villes côtières principalement axées sur l'extraction minière, pétrolière et gazière. Dans cet environnement, la « chaleur perdue » de la station n’est pas gaspillée et peut être utilisée pour le chauffage urbain.

Une application plus large pourrait consister à amener l’énergie nucléaire dans les pays en développement sans expérience dans l’exploitation de la technologie nucléaire. La station peut être exploitée par son fabricant et l’électricité est vendue au continent simplement en la « branchant » sur le réseau électrique.

Le concept pourrait également fournir de l’électricité aux îles et aux régions isolées, ainsi qu’un système de secours en cas de catastrophe mobilisé rapidement.

Par exemple, La Guinée cherche déjà à travailler avec la Russie sur un tel projet.

Westinghouse et Prodige étudient également cette idée, ainsi que Les coréens KSOE et Kepco, ou Seaborg du Danemark combinant la technologie des sels fondus avec des centrales électriques maritimes.

Coût

Une dernière critique formulée contre l’énergie nucléaire concerne le coût.

Cela est dû en grande partie au fait que les derniers projets nucléaires aux États-Unis et en Europe ont souffert de dépassements de coûts massifs. Par exemple, la centrale électrique de Vogtle en Géorgie a fini par coûter 37 milliards de dollars, dont 20 milliards de dollars en dépassement de coûts. Ou la Usine Olkiluoto-11 de 3 Md€ en Finlande, au lieu des 3 Md€ initialement prévus.

Le fait que Vogtle ait mis 14 ans à construire et qu'Olkiluoto soit entré en service 12 ans après l'estimation initiale est en grande partie responsable de l'explosion des coûts.

Mais ce n’est pas une fatalité. Dans la même période, Bloomberg révèle que la Chine a construit 6 réacteurs nucléaires pour seulement 17 milliards de dollars.

La croissance des coûts en Occident est liée principalement à trois facteurs :

1. Un fardeau réglementaire croissant.
   1. Bien que cela soit dû en partie à une surveillance accrue de la sécurité, certains ont dénoncé la bureaucratie et les obstacles politiquement motivés pour l'industrie.
2. Coût croissant du capital.
   1. Étant donné que les coûts des centrales nucléaires sont pour la plupart initiaux dès la construction, les faibles coûts d’investissement réduisent considérablement le prix final. En règle générale, les projets nucléaires chinois bénéficient de prêts à faible taux d’intérêt accordés par l’État.
3. Trop peu de projets.
   1. Si plusieurs usines sont construites à la suite, les fabricants peuvent standardiser la production et produire des équipements par lots ou en série, au lieu d'une conception personnalisée unique à chaque fois.
   2. Un flux de projets plus régulier contribue également à former et à retenir du personnel qualifié.

Chacun de ces problèmes peut être résolu.

Le fardeau réglementaire surdimensionné peut être allégé, grâce à la mobilisation des capitaux par le gouvernement. Et davantage de projets et une politique énergétique stable reconstruiront la chaîne d’approvisionnement.

Entreprises d’énergie nucléaire

1. Société Caméco

L’énergie nucléaire dépend de l’approvisionnement en uranium. L'uranium n'est pas une ressource très rare, même si les gisements à haute concentration ne sont pas faciles à trouver.

Le marché est dominé par Kazatomprom au Kazakhstan et Cameco au Canada. Il existe d’autres producteurs d’uranium, mais ces deux-là sont de loin les plus importants et ceux dont les coûts de production sont les plus faibles. Par conséquent, Cameco sera au centre de l'approvisionnement en matières premières nécessaires aux centrales nucléaires existantes et futures.

Source: Cameco

Cependant, l'activité minière de Cameco ne représente qu'une partie de l'histoire. En effet, en 2022, Cameco a pris la décision d'acquérir le contrôle majoritaire de Westinghouse, le principal constructeur de centrales nucléaires aux États-Unis., en collaboration avec une société d'investissement géante, Brookfield.

Cela permet à Cameco d'accéder aux revenus stables de Westinghouse provenant de l'entretien des centrales existantes et de contrôler une grande partie de la chaîne d'approvisionnement nucléaire. En raison de réglementations strictes, ces pièces et équipements seront nécessaires pour toute nouvelle centrale, qu'elle soit traditionnelle ou SMR.

Une bonne démonstration du potentiel d’innovation de Westinghouse est sa conception AP300 SMR récemment révélée, qui sera probablement déployé en Slovaquie, La Finlande, et la Suède.

Cameco parie donc à la fois sur les prix de l’uranium et Westinghouse conserve un contrôle solide sur le marché de la construction de centrales nucléaires qu’il dominait auparavant. Il convient de noter que la copropriété avec Brookfield pourrait également aider, car l'entreprise possède une énorme division de production d'énergie renouvelable/à faible émission de carbone sous la forme de 19 milliards de dollars. Partenaires renouvelables de Brookfield (MPE).

2. Mirion Technologies, Inc.

Outre les réacteurs et les technologies de combustible, la production d’énergie nucléaire dépend fortement de nombreux capteurs, pièces et autres équipements « mineurs » dont il faut néanmoins faire confiance pour fonctionner parfaitement.

L'une de ces catégories est la détection des radiations, activité principale de Mirion (États-Unis). La réglementation relative à l'énergie nucléaire exige des contrôles très stricts de l'exposition du personnel et de l'environnement aux radiations, ainsi que la détection précoce de toute fuite ou contamination potentielle. Il en va de même pour l'utilisation médicale de composés radioactifs, comme le traitement du cancer et l'imagerie.

Source: Mirion

L'entreprise est également active dans les mesures physiques pour les analyses et la recherche scientifiques, ainsi que dans les dispositifs de démantèlement et de décontamination pour l'industrie de la défense, la cybersécurité et les services de formation. La société a été introduite en bourse en 2020.

Les revenus de Mirion sont en croissance constante, portés à parts égales par son segment médical et ses clients industriels.

Mirion est un élément moins « glamour » de la chaîne d’approvisionnement nucléaire, surveillant et mesurant les rayonnements au lieu de créer de nouveaux modèles de réacteurs, de combustible à haute densité ou d’applications militaires. Cela ne le rend pas moins intéressant d’un point de vue financier.

Ainsi, Mirion est plutôt une action de type « pioche et pelle » qui bénéficiera d’un regain d’intérêt et d’investissements dans le nucléaire. Cela profitera également du scepticisme encore élevé du public à l’égard de l’énergie nucléaire, en renforçant les exigences en matière de capteurs et de moniteurs de rayonnement omniprésents, efficaces et fiables, fournis par des fournisseurs éprouvés.