La 4e 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 la considèrent comme une idée extrêmement dangereuse, invoquant le spectre de Tchernobyl et Fukushima comme preuve, et le problème des déchets nucléaires comme une question insoluble. D’autres la voient comme une technologie potentiellement salvatrice pour la civilisation, grâce à sa capacité à produire de l’électricité de base avec des émissions de carbone très faibles et une empreinte au sol réduite.

Cette division existait déjà tôt, avant même que le changement climatique ne devienne un sujet de discussion.

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

Peu après, l’idée d’en exploiter l’énergie à des fins pacifiques a également pris racine. D’abord l’initiative « Atoms for Peace », puis une vague massive de construction de centrales nucléaires à travers le monde. Pendant un temps, il semblait clair que l’avenir était nucléaire et que la combustion du charbon, du pétrole et du gaz deviendrait bientôt aussi obsolète que les moulins à vent pittoresques des Pays‑Bas.

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

Source: Nuclear Energy – Our World in Data

Pendant de nombreuses années, il ne semblait que la Chine et la Russie qui étaient disposées à développer l’énergie nucléaire.

En particulier la Chine, qui, comme le dit The Economist, « construit des réacteurs nucléaires plus rapidement que tout autre pays ».

Source: The Economist

Aujourd’hui, l’énergie nucléaire fait un retour en force à l’échelle mondiale, à une ampleur inimaginable il y a quelques années, de nombreux médias soulignant un changement de politiques à travers la plupart des pays :

• Le Japon intensifie 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 des États‑Unis
• Le nouveau nucléaire inclus dans le projet de plan énergétique coréen
• La France abandonne ses objectifs d’énergies renouvelables et privilégie le nucléaire dans le nouveau projet de loi énergétique
• Le Royaume‑Uni prévoit de construire un nouveau réacteur nucléaire en Écosse
• L’Inde prévoit de construire 18 réacteurs nucléaires d’une capacité totale de 13,8 GW d’ici 2032

Le maillon manquant de la décarbonation ?

Les préoccupations liées à la sécurité restent très présentes, et elles justifient la décision de l’Allemagne de fermer ses centrales nucléaires.

Cependant, les inquiétudes concernant les émissions de carbone et le changement climatique deviennent de plus en plus pressantes, et l’énergie nucléaire est en réalité le plus petit émetteur de toutes les sources d’énergie, même meilleur que le vent et le solaire, qui nécessitent beaucoup plus de terrain et de matières premières.

Source: Our World In Data

Bien que spectaculaire et aux conséquences durables, le nucléaire est également, en pratique, aussi sûr que les énergies renouvelables lorsqu’on mesure le nombre de décès qu’il a causés, même en incluant les catastrophes majeures.

Ainsi, lorsqu’on l’examine objectivement, le nucléaire devrait probablement être l’un des outils utilisés pour décarboniser le réseau électrique et l’économie en général. C’est particulièrement vrai alors que nous avons besoin de plus en plus d’électricité pour l’électrification des transports (VE) et du chauffage (pompes à chaleur), ainsi que pour de nouveaux besoins comme les centres de données IA.

La quantité de charbon, de pétrole et de gaz qui doit être remplacée est stupéfiante. Même en tenant compte des progrès réalisés dans les énergies renouvelables et l’adoption des VE, ils constituent encore la grande majorité de notre consommation énergétique aujourd’hui.

Source: Our World In Data

Qu’en est‑il des déchets nucléaires ?

Le véritable profil de sécurité du nucléaire, cependant, soulève la question des déchets nucléaires.

L’idée de laisser aux générations futures des déchets toxiques qui resteront dangereux bien plus longtemps que la Grande Pyramide est, pour le dire doucement, angoissante.

Devons‑nous empoisonner l’avenir pour sauver le climat ? Heureusement, au moins deux séries de solutions émergent grâce aux progrès technologiques pour répondre à ce dilemme.

La première option consiste à recycler les déchets nucléaires, et l’autre à produire presque aucun déchet nucléaire. Les deux font partie de ce que l’on appelle la 4^ème génération de centrales nucléaires.

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

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

Générations de centrales nucléaires

La 1^ère génération de centrales nucléaires était essentiellement constituée de prototypes sans utilisation commerciale.

La 2^e génération de centrales nucléaires représente la majeure partie du parc actuel. Elles ont été construites entre 1965 et 1996.

La 3^e génération de centrales nucléaires a été construite en tirant les leçons de la 2^e génération et en essayant de remédier aux défauts qui ont conduit à des catastrophes nucléaires rares mais dévastatrices. Elles ont été construites entre 1996 et 2016. Parfois, une génération 3+ est décrite comme les réacteurs construits entre 2017 et 2021, avec un accent sur la sécurité accrue.

La 4^e génération d’énergie nucléaire ne fait que commencer et représente une rupture avec les précédentes, avec pour objectif de nouveaux concepts de conception, voire même de changer le combustible nucléaire au lieu d’améliorations incrémentales.

Il existe également une 5^e génération de centrales nucléaires en discussion. Ces conceptions sont théoriquement possibles mais n’ont pas fait l’objet de recherches actives, généralement en raison de problèmes de viabilité économique, de technologies manquantes ou de préoccupations de sécurité.

4^ème génération de centrales nucléaires

Ce qui fait qu’une centrale nucléaire appartient à la 4^ème génération fait l’objet de vifs débats parmi les experts du secteur.

Dans cet article, nous discuterons principalement des conceptions de centrales qui s’éloignent radicalement de celles de la 3^ème génération.

Et nous essaierons de garder l’explication aussi simple que possible, en passant rapidement sur certains détails lorsque cela est nécessaire.

Réacteur à très haute température (VHTR)

Cette conception se caractérise par des températures très élevées, autour de 1 000 °C. C’est la seule centrale nucléaire de 4^ème génération déjà en exploitation, avec le lancement commercial en 2023 de la centrale nucléaire Huaneng Shandong Shidao Bay dans l’est de la Chine.

Le design repose souvent sur un « lit de galets », où des sphères céramiques suffisamment petites pour tenir dans la main protègent un cœur d’uranium, avec des dizaines de milliers de ces sphères dans un même réacteur.

Source: CGTN

X‑Energy développe également une technologie similaire aux États‑Unis.

Comme la réaction nécessite une haute température et est refroidie passivement, ce design est intrinsèquement plus sûr que les centrales nucléaires de la 3^ème génération.

L’avantage du design à galets est de permettre le remplacement sans interrompre la production du réacteur, les céramiques évitant également tout risque de fuite de matière radioactive.

Réacteur à sels fondus (MSR)

Dans ces réacteurs, le fluide caloporteur est un mélange de sels fondus au lieu de l’eau ou du gaz. Dans certains cas, le combustible est également contenu dans le sel fondu.

Les réacteurs à sels fondus tendent à avoir une efficacité de production plus élevée, brûlent le combustible plus efficacement et créent moins de déchets nucléaires. Parce qu’ils fonctionnent à des températures plus élevées, ils sont parfois regroupés avec les VHTR dans la catégorie des « réacteurs thermiques ».

Cependant, un problème avec les sels fondus est leur caractère corrosif, problème aggravé par le potentiel d’affaiblissement de la structure sous l’effet de la radioactivité. Cela implique la nécessité d’un entretien extrêmement prudent et de contrôles rigoureux du réseau de tuyauterie, des pompes, etc.

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 largement politique, car les centrales à uranium produisent du plutonium. À l’époque, cela était perçu comme un avantage, car cela aidait les puissances nucléaires à créer le matériau nécessaire aux bombes atomiques.

Une alternative, dont les ressources sont trois fois supérieures à celles de l’uranium, est l’élément thorium. Les sous‑produits d’un réacteur au thorium sont également très peu susceptibles d’être transformés en matériaux 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 lorsqu’on utilise un réacteur à fluorure liquide de thorium (un réacteur à sels fondus au thorium).

Ici, la Chine est également en tête avec un réacteur au thorium qui peut fonctionner sans eau, le rendant adapté aux régions désertiques. Et avec des porte-conteneurs alimentés par un réacteur au thorium révélés par China State Shipbuilding Corporation (CSSC).

Réacteurs rapides / de reproduction / de combustion

Les réacteurs rapides s’appuient sur des « neutrons rapides » qui ne sont pas ralentis par des modérateurs comme dans les réacteurs nucléaires classiques. Cela permet de concevoir le réacteur de façon à ce qu’il utilise ces neutrons rapides pour consommer des éléments appartenant à la famille des actinides (qui inclut l’uranium et le plutonium).

Source: Sciences Notes

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

Les réacteurs de combustion transmutent la plupart des actinides problématiques du combustible usé, rendant les déchets traités moins actifs, 90‑98 % moins volumineux, et problématiques seulement pendant des décennies ou des siècles au lieu de millénaires.

Cette catégorie de réacteurs est généralement classée selon son système de refroidissement, qui peut être à gaz, à sodium ou à plomb.

Bien que classés comme 4^ème génération, il ne s’agit pas d’une technologie nouvelle ou non testée. Notamment, la France a exploité Phénix et Superphénix, qui ont brûlé des déchets nucléaires tout au long des années 1970‑1990, avant d’être finalement fermés pour des raisons de coûts d’exploitation et de pressions politiques du parti Vert.

Les versions modernes de réacteurs rapides à reproduction incluent, par exemple, le PRISM de GE‑Hitachi, conçu mais jamais construit.

Petits réacteurs modulaires (SMR) & Micro‑réacteurs

La plupart des réacteurs nucléaires sont conçus comme les grandes centrales que l’on imagine habituellement.

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

Source: Nuscale

Globalement, les SMR devraient être utilisés pour alimenter le réseau ou de grands processus industriels, tandis que les micro‑réacteurs seront plus probablement employés dans des zones isolées, installations militaires et l’exploration spatiale.

La taille plus petite et la conception standardisée devraient également faciliter l’adoption des SMR pour les pays de petite taille.

Un autre avantage des SMR est qu’ils peuvent être produits en série, comme des camions ou des navires, au lieu du design unique et sur‑mesure habituellement privilégié par l’industrie. En théorie, cela devrait permettre des économies d’échelle et une réduction des coûts.

En pratique, les coûts peuvent être plus élevés que prévu, du moins pour les prototypes. Cela a entraîné une légère perte d’enthousiasme pour les SMR après qu’ils aient peut‑être été un peu sur‑hypés.

Cependant, les SMR devraient se développer rapidement, avec par exemple des projets en cours en Finlande, Norvège, Pologne, États‑Unis, Canada et Argentine.

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

Station nucléaire flottante

Bien que peut‑être pas techniquement de la 4^ème génération, les stations d’énergie flottantes sont un nouveau concept qui représente une rupture radicale avec le concept habituel de centrale nucléaire.

Principalement promues par Rosatom, la société russe, ce concept diffère des navires à propulsion nucléaire, comme, par exemple, certains porte‑avions.

Ici, tout le but du navire est d’être une station d’énergie, bien que mobile et flottante. En raison des contraintes de taille, cela pourrait également être décrit comme un SMR, mais très grand.

Source: Power Technology

L’application de ces concepts a eu lieu dans l’Arctique russe, alimentant des villes côtières principalement axées sur l’exploitation minière et l’extraction de pétrole & de gaz. Dans cet environnement, la « chaleur résiduelle » de la station n’est pas gaspillée et peut être utilisée pour le chauffage urbain.

Une application plus large pourrait consister à apporter l’énergie nucléaire aux pays en développement qui n’ont pas d’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 » au réseau électrique.

Le concept pourrait également fournir de l’énergie aux îles et aux régions isolées, ainsi qu’à un système d’aide humanitaire rapidement mobilisable en cas de catastrophe.

Par exemple, la Guinée envisage déjà de travailler avec la Russie sur un tel projet.

Westinghouse et Prodigy étudient également l’idée, tout comme Korea’s KSOE & Kepco, ou Seaborg du Danemark qui combine la technologie des sels fondus avec des centrales maritimes.

Coûts

Une dernière critique souvent adressée à l’énergie nucléaire concerne le coût.

Cela est largement dû aux projets nucléaires récents aux États‑Unis et en Europe qui ont subi d’énormes dépassements de coûts. Par exemple, la centrale de Vogtle en Géorgie a fini par coûter 37 milliards de dollars, dont 20 milliards de dépassements. Ou la centrale Olkiluoto‑3 en Finlande, prévue à 11 milliards d’euros, mais finalement à 11 milliards d’euros au lieu des 3 milliards initialement attendus.

Le fait que Vogtle ait mis 14 ans à être construite et qu’Olkiluoto soit entrée en service 12 ans après l’estimation initiale explique en grande partie la flambée des coûts.

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

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

1. Croissance du fardeau réglementaire.
   1. Bien qu’une partie de cela soit due à un contrôle accru de la sécurité, certains le dénoncent comme une bureaucratie excessive et des obstacles politiquement motivés pour l’industrie.
2. Augmentation du coût du capital.
   1. Comme les coûts des centrales nucléaires sont majoritairement des dépenses d’amont liées à la construction, des coûts de capital faibles réduisent drastiquement le prix final. Typiquement, les projets nucléaires chinois bénéficient de prêts à faible taux d’intérêt accordés par l’État.
3. Nombre insuffisant de projets.
   1. Si davantage de centrales sont construites consécutivement, les fabricants peuvent standardiser la production et fabriquer les équipements en série, au lieu de concevoir chaque fois un design unique.
   2. Un flux plus régulier de projets aide également à former et à retenir du personnel qualifié.

Chacun de ces problèmes peut être résolu.

Le fardeau réglementaire excessif peut être réduit, le capital mobilisé par le gouvernement. Et davantage de projets ainsi qu’une politique énergétique stable relanceront la chaîne d’approvisionnement.

Entreprises du secteur nucléaire

1. Cameco Corporation

L’énergie nucléaire dépend de l’approvisionnement en uranium. L’uranium n’est pas une ressource très rare, bien que les gisements à haute concentration ne soient pas faciles à trouver.

Le marché est dominé par Kazatomprom au Kazakhstan et Cameco au Canada. D’autres producteurs d’uranium existent, mais ces deux-là sont de loin les plus grands et ceux qui ont des coûts de production plus bas. En conséquence, Cameco sera au centre de l’approvisionnement en matières premières nécessaires aux centrales nucléaires existantes et futures.

Source: Cameco

Cependant, la branche minière de Cameco ne représente que la moitié de l’histoire. En 2022, Cameco a décidé d’acquérir le contrôle majoritaire de Westinghouse, le principal constructeur de centrales nucléaires aux États‑Unis, aux côtés d’un géant de l’investissement, Brookfield.

Cela donne à Cameco accès aux revenus stables de Westinghouse provenant de la maintenance des centrales existantes et au contrôle d’une grande partie de la chaîne d’approvisionnement nucléaire. En raison de réglementations strictes, ces pièces et équipements seront requis pour toute nouvelle centrale, qu’elle soit traditionnelle ou SMR.

Une bonne démonstration du potentiel d’innovation de Westinghouse est son design récemment dévoilé AP300 SMR, qui devrait être déployé en Slovaquie, en Finlande, et en Suède.

Ainsi, Cameco mise à la fois sur les prix de l’uranium et sur le contrôle de Westinghouse du marché de la construction de centrales nucléaires qu’il dominait auparavant. Il convient de noter que la co‑propriété avec Brookfield pourrait également aider, la société disposant d’une division massive de production d’énergie renouvelable/faible carbone sous la forme de 19 milliards de dollars de Brookfield Renewable Partners (BEPC ) (BEP ) (BEP).

2. Mirion Technologies, Inc.

En dehors des réacteurs et des technologies de combustible, la production d’énergie nucléaire dépend fortement de nombreux capteurs, pièces et autres équipements « mineurs » qui doivent néanmoins fonctionner parfaitement.

Une de ces catégories est la détection des radiations, cœur de métier de Mirion (États‑Unis). La réglementation nucléaire exige des contrôles très stricts de l’exposition aux radiations du personnel, de l’environnement et de la détection précoce de toute fuite ou contamination potentielle. Il en va de même pour l’usage médical 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 scientifiques et la recherche, ainsi que dans les dispositifs de déclassement & 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 ont connu une croissance régulière, soutenus à parts égales par son segment médical et ses clients industriels.

Mirion représente une partie moins « glamour » de la chaîne d’approvisionnement nucléaire, surveillant et mesurant les radiations plutôt que créant de nouveaux designs de réacteurs, des combustibles à haute densité ou des applications militaires. Cela ne la rend pas moins intéressante d’un point de vue financier.

Ainsi, Mirion est davantage une action « pioche et pelle » qui bénéficiera de l’intérêt renouvelé et des investissements dans le nucléaire. Elle profitera également d’un scepticisme public encore élevé à l’égard du nucléaire, renforçant les exigences pour des capteurs et moniteurs de radiation omniprésents, efficaces et fiables fournis par des fournisseurs éprouvés.