L'intérêt porté aux concepts de SMR (small modular reactor) ne faiblit pas. Ces réacteurs nucléaires modulaires de faible puissance (moins de 300 mégawatts électriques (MWe)) sont des sources d'énergie bas carbone répondant aux-mêmes enjeux que les réacteurs de puissance, mais avec un investissement financier moindre et de nombreux autres usages que la seule fourniture d'électricité à un réseau centralisé. Leur viabilité nécessite de contrer l'effet d'échelle, qui incite plutôt à faire de plus en plus gros pour amortir les coûts fixes du nucléaire (ingénierie, licensing, sécurité. ..). Les concepteurs de SMR ne cherchent pas une réduction homothétique du concept de forte puissance, mais plutôt une conception modulaire, plus simple et plus sûre, avec la construction et l'assemblage en usine d'un maximum de composants pour limiter l'emprise au sol, mais aussi accélérer et massifier la production.
L'autre clé économique des SMR sera de répondre à des besoins que ni les réacteurs de puissance ni les énergies renouvelables ne remplissent. Dans des versions purement électrogènes, les SMR peuvent remplacer des centrales fossiles (gaz ou charbon) de moyenne puissance en réutilisant une partie des infrastructures existantes ou bien s'adresser aux réseaux isolés non interconnectés (typiquement les îles) lorsqu'un réacteur de forte puissance est surdimensionné.
L'intérêt des SMR ne s'arrête pas à la seule production d'électricité. La plupart des projets visent aussi la production de chaleur industrielle en cogénération permettant la décarbonation de sites industriels. Certains projets proposent même d'étendre la proposition de valeur à d'autres conversions énergétiques pour des productions sur site à plus forte valeur ajoutée comme celle de l'hydrogène, souvent citée, mais aussi de l'eau de mer dessalée, du CO2 atmosphérique capturé, des carburants de synthèse (e-methane, e-methanol, e-kérosène…) ou encore de l'ammoniac. La véritable clé des SMR se trouve peut-être là, dans la capacité à s'associer à des industriels energo-intensifs pour une décarbonation massive de nos économies modernes.
Ces promesses sont attractives pour des financements associant le public et le privé. Le modèle start-up s'est imposé en Europe et en Amérique du Nord pour ces projets capitalistiques. Les États-Unis, le Canada, la Grande-Bretagne et la France ont tous lancé des appels à projets visant à accorder des subventions aux projets les plus prometteurs pour compléter les investissements privés. Cet effet de levier est indispensable pour la phase de développement, d'ingénierie et de licensing des concepts. On parle encore de promesses à ce stade, car le modèle économique reste à démontrer. La décennie qui s'ouvre sera cruciale pour les 80 projets en cours de développement dans le monde. Tous n'aboutiront pas.
Les étapes à franchir sont nombreuses : valider le design auprès de multiples autorités de sûreté, sécuriser un approvisionnement en combustible, financer des prototypes et une tête de série, signer des contrats avec des énergéticiens et des industriels, amortir les investissements en ingénierie et dans la supply chain (usines de modules). Il y a fort à parier que les trois ou quatre premiers concepts à les passer se partageront le marché, qui devrait considérablement se consolider entre 2035 et 2040.
1. AMR et SMR : deux terminologies distinctes
On utilise en règle générale le terme SMR pour les réacteurs utilisant l'eau comme fluide caloporteur(REP, réacteur à eau pressurisée, ou REB, réacteur à eau bouillante) et le terme AMR (advanced modular reactor) pour ceux ayant un autre caloporteur (sodium, plomb, sels fondus, gaz). On considère que la gamme de puissance des SMR et des AMR va de 50 à 300 MWe. En dessous de 50 MWe, on parle de microréacteur ou MMR (micromodular reactor), ciblant des applications de niche encore plus spécialisées (zones isolées, mines, spatial…). Cette taxonomie croise une autre classification, celle des réacteurs de 3e ou de 4e génération. Cette distinction a été introduite en 2000 par le forum Génération IV. Dans la 3e génération, on retrouve les réacteurs à eau (REP ou REB) et les réacteurs haute température (HTR).
Pour les SMR refroidis à eau, ce n'est pas tant la faisabilité qui est enjeu - le combustible est connu et les réacteurs de propulsion navale démontrent la réalité de la faible puissance -, que la rentabilité économique. Pour ceux de la 4e génération, six technologies ont été sélectionnées par le forum Génération IV afin de répondre à quatre objectifs : la diminution des déchets nucléaires (grâce, entre autres, au recyclage du combustible) et l'économie en ressources naturelles, la diminution des coûts de construction et d'exploitation des réacteurs, l'amélioration de la sûreté nucléaire, la non-prolifération.
Les technologies retenues sont principalement des réacteurs à neutrons rapides (RNR). Dans la liste figurent trois sous-catégories : ceux refroidis au sodium (SFR), ceux refroidis au plomb (LFR), ceux à caloporteur gaz (GFR). Trois autres types de réacteurs complètent cette liste : les réacteurs à sels fondus (MSR), les réacteurs à eau supercritique (SCWR) et les réacteurs à très haute température (VHTR), dont le niveau élevé de température (> 800 °C) a justifié l'inclusion dans les technologies de 4e génération pour les perspectives de décarbonation qu'elle ouvre potentiellement. À l'époque, on pensait en effet que 800 °C était la température idéale pour produire de l'hydrogène avec des cycles thermochimiques. Depuis, l'électrolyse haute température (150 °C) ou la pyrolyse du méthane (650 °C) sont en train de s'imposer.
Les niveaux de maturité sont très divers, allant d'une faisabilité non démontrée à des prototypes ou têtes de série ayant déjà fonctionné (fig. 1). Dans tous les cas, la fabrication et le retraitement du combustible, la chaîne d'approvisionnement industrielle et la réglementation sont moins matures que pour les réacteurs à eau. Ces technologies sont plus prometteuses et apportent plus de réponses aux défis du siècle, mais le prix à payer en termes de développement est plus important. La coordination des financements publics et privés, nationaux et européens sera le nœud gordien à trancher pour faire passer ces technologies du papier à la réalité. Enfin, ces SMR et AMR se distinguent par la nature des services qu'ils rendent, avec différents vecteurs énergétiques délivrés et une capacité à produire en base ou de manière flexible. La plupart visent la cogénération, fournissant chaleur et électricité en fonction des besoins. La température de fonctionnement est un paramètre clé, la filière refroidie à eau est limitée à 250 °C alors que les RNR ou HTR peuvent produire de la chaleur au-delà de 500 °C, ce qui ouvre des marchés spécifiques.
Florent Robert 2. Le défi de l'industrialisation des AMR
Sur les 80 concepts actuellement développés dans le monde, la proportion d'AMR, proposant des innovations en rupture, est significative (plus de la moitié). Les deux principaux recensements sont effectués par l'OCDE et l'Agence pour l'énergie nucléaire (AEN), qui ont publié en février la seconde édition de leur SMR Dashboard, et par l'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA), dont le SMR Booklet a été mis à jour en 2022. En France, l'Autorité de sûreté nucléaire (ASN) a fait paraître en février une synthèse utile sur la maturité des projets actifs dans l'Hexagone. Il en ressort que pour les AMR, l'approvisionnement industriel en combustible sera le chemin critique -et limitant- de tous les projets.
À ce jour, aucun AMR n'a été construit à l'échelle industrielle. Cependant, l'apport de financements, aussi bien publics que privés, aux États-Unis, au Canada, en Grande-Bretagne mais également en France a permis de faire émerger de nombreux concepts.
Aux Etats-Unis, les deux projets les mieux financés par le gouvernement sont le projet Natrium de Terrapower (SFR) et le projet Xe-100 de X-Energy (HTR). Ils visent le démarrage d'une tête de série en 2028. Néanmoins, les projets américains vont pâtir d'un sous-investissement de plusieurs décennies dans deux domaines: la supply chain et le combustible. De nombreux porteurs de projets avaient prévu, avant 2022, de se tourner vers la Russie pour la fourniture de combustibles à l'uranium enrichi à 20%,indispensables à ce type de réacteurs. Physiquement, plus le réacteur est petit, plus les neutrons fuient à l'extérieur de la zone cœur, ce qui nécessite d'augmenter l'enrichissement pour que le réacteur fonctionne. C'est une réalité que l'on a tendance à oublier en ne finançant que les réacteurs. Or ceux-ci ont besoin de combustible pour fonctionner. Et construire une usine de combustibles nucléaires prend beaucoup de temps.
Le contexte français pousse à s'intéresser aux concepts à spectre rapide, capables de favoriser le multirecyclage du plutonium et la diminution de la quantité de déchets à vie longue. Il en existe de quatre types : d'une part, les trois catégories de réacteurs à neutrons rapides que sont les réacteurs refroidis au sodium, les réacteurs refroidis au plomb et les réacteurs à caloporteur gaz, d'autre part, les réacteurs à sels fondus. Ces derniers sont de conception différente puisque le combustible est dilué dans un sel fondu. À ce stade, les autres possibilités de RNR restent encore très théoriques, que ce soit les autres métaux liquides (du gallium ou un alliage de sodium et de potassium (NaK)) ou le réacteur à eau supercritique à spectre rapide.
3. Les RNR-Na tirent leur épingle du jeu
Les RNR sont des réacteurs dans lesquels le f lux de neutrons n'est pas ralenti : leur vitesse (et donc leur énergie) est d'environ 20000 km/s, contre 2 km/s pour les réacteurs du parc actuel, dans lesquels la fission se fait sur des atomes d'uranium 235 (fig.3). Leur principale différence avec les REP est l'absence de modérateur, qui ralentit les neutrons. Cette fonction est assurée par l'eau dans les réacteurs actuels. Dans un RNR, on cherche donc un fluide caloporteur ne ralentissant pas les neutrons : métaux liquides, sels fondus ou gaz.
Florent Robert L'avantage de ces neutrons rapides est de pouvoir faire fissionner non seulement les noyaux fissiles du plutonium issu des combustibles usés mais aussi d'utiliser les noyaux fertiles, comme l'uranium 238 (fig.4). C'est ce qu'on appelle la surgénération (fig.5), qui consiste en la transformation de cet uranium 238 en plutonium 239 à la suite de la capture d'un neutron.
Le potentiel des RNR est double : l'utilisation des combustibles usés sans usage, parfois considérés comme des déchets nucléaires dans certains pays, et la capacité à produire plus de matière qu'ils n'en consomment en utilisant la totalité de l'uranium extrait des mines. Ils sont ainsi capables de diminuer drastiquement la quantité de déchets à vie longue, tout en économisant la ressource en uranium.
Florent Robert 
Florent Robert Ce type de réacteur, lorsqu'il est refroidi au sodium (SFR, sodium fast reactor) (fig. 2), est la technologie de 4egénération la plus mature, qui cumule bientôt près de 400 années. réacteur de fonctionnement à travers le monde. Leurs atouts et retours d'expérience sont largement documentés. Historiquement, après quelques essais en caloporteur mercure ou en NaK, le caloporteur sodium s'est largement imposé. Il est notable que le premier réacteur au monde ayant fourni de l'électricité fut le RNR sodium EBR-I aux États-Unis, en 1951. Aujourd'hui, des réacteurs sont exploités industriellement en Russie et expérimentalement en Chine, en Inde et au Japon. Le sodium est un excellent caloporteur, transparent aux neutrons pour que le spectre reste rapide, sixième élément le plus abondant sur terre, avec une grande plage de liquidité : c'est le choix de raison pour transporter la chaleur dans un réacteur à neutrons rapides. Les risques industriels induits parle sodium sont connus et maîtrisés depuis des décennies. Le plus grand producteur mondial de sodium, MSSA, est français, son usine se trouve en Savoie. Par ailleurs, la France dispose d'un retour d'expérience important avec les réacteurs Rapsodie, Phénix et Superphénix. Elle compte encore de nombreux records dans le domaine.
D'une puissance de 250 MWe, le réacteur Phénix a fonctionné de 1973 à2010, à Marcoule(Gard). Sa base de données d'irradiation est unique au monde, fruit de trente-cinq ans d'exploitation au service des connaissances sur les RNR, de 1973 à 2008. Les matériaux et échangeurs de Phénix nous apportent également un retour d'expérience sur le sodium inégalé. Le fonctionnement fut très satisfaisant pour un réacteur expérimental, avec 60 à70% de taux de disponibilité lors des dernières années d'exploitation.
Installé dans la centrale de Creys-Malville (Isère), le réacteur Superphénix, d'une puissance de 1240 MWe, est le plus gros RNR jamais conçu, construit, exploité et démantelé. C'est un outil industriel unique et encore inégalé à ce jour. Un an avant son arrêt en 1997, pourrai-sons politiques, son taux de disponibilité avoisinait 95 % pour plus de 3,5 TWhe de production par an.
Florent Robert Plus récemment, le projet Astrid, porté par le CEA et arrêté en 2019, a permis un renouvellement majeur des compétences et des outils de calculs associés à cette filière. L'ensemble de cet héritage scientifique et technique de plusieurs décennies justifie la crédibilité de cette filière pour répondre rapidement aux défis de la décarbonation dès la décennie 2030 en vue de l'objectif zéro émission nette en 2050.
D'un point de vue technique, les performances des RNR-Na sont compatibles avec les besoins en énergie d'un grand nombre d'industries. 75% de ces besoins concernent la chaleur à plus de 400 °Cet le RNR-Na peut fournir de la chaleur jusqu'à 500 °C. Le rendement électrique est également plus élevé que celui des réacteurs à eau de 3e génération (42 % au lieu de 35 %). Un RNR-Na s'avère aussi être une solution pertinente pour la production d'hydrogène décarboné. Autre bénéfice induit par ce haut niveau d'efficacité énergétique: le besoin d'eau est diminué de plusde20% par rapport à un réacteur à eau de même puissance, ce qui facilitera l'implantation à proximité des sites industriels, y compris en zone ou en période de stress hydrique.
Cette filière de 4e génération peut devenir le fer de lance du nucléaire durable. Elle utilise comme ressource du MOX, composé d'uranium appauvri et du plutonium issu des combustibles usés des réacteurs actuels. Elle s'affranchit de l'étape d'enrichissement de l'uranium et, plus largement, de toute activité minière d'extraction de l'uranium, donc du besoin de l'importer. Cela en fait un objet stratégique en termes d'indépendance énergétique et de maîtrise des coûts de l'énergie sur la durée. La valeur ajoutée du RNR-Na réside dans le réacteur même et dans la filière de retraitement du combustible, et non plus dans la filière amont extractiviste. La vertu du RNR-Na est également de produire moins de déchets à vie longue et de ne pas utiliser de matériaux critiques, faisant de cette filière l'une des plus sobres en termes d'impacts (CO2, matériaux, eau, foncier, déchets...).
C'est dans ce contexte foisonnant de renaissance nucléaire qu'a été créée, en juin 2023, la start-up Hexana, essaimée du CEA. Elle fait partie des onze lauréats de l'appel à projets «Réacteurs nucléaires innovants», dans le cadredeFrance2030. L'ambition est de produire mieux, décarboné, tout en faisant émerger de nouveaux acteurs en leur donnant les moyens d'innover. Cet appel à projets vise à soutenir des concepts de réacteurs nucléaires de rupture et répondant à un ou plusieurs des objectifs suivants : l'amélioration de la compétitivité des réacteurs, l'amélioration de la sûreté intrinsèque de leur fonctionnement, l'amélioration de la protection physique intrinsèque de l'installation, la capacité à s'intégrer dans un système électrique plus décentralisé, le développement d'applications non électrogènes (hydrogène, chaleur, cogénération, radioéléments stratégiques…), la fermeture du cycle du combustible nucléaire et la valorisation des matières nucléaires, l'amélioration de la gestion des déchets radioactifs produits.
Hexana a pour ambition la conception, l'industrialisation et la commercialisation de réacteurs innovants de 4e génération fondés sur la filière des réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium. L'objectif est la décarbonation des industries les plus consommatrices d'énergie en leur fournissant l'électricité et la chaleur haute température au plus près de leurs besoins. La start-up propose ainsi une paire de RNR-Na de 400 MWth chacun (soit environ 170 MWe par module dans une configuration 100 %électrogène). Une installation de stockage thermique est implantée entre l'îlot nucléaire et la partie conventionnelle, de manière à optimiser la flexibilité de la fourniture d'énergie au client sans impacter la partie nucléaire du système. Une levée de fonds imminente permettra de recruter l'équipe de conception et de développement du projet. Hexana prévoit le démarrage de son premier réacteur industriel (Foak - First-of-a-Kind) en France en 2035.
Cinq autres types de réacteurs en lice
Réacteurs à neutrons rapides refroidis au plomb (LFR)
Cette filière (sans réalisation à ce jour) se heurte à des difficultés connues et non résolues : comportement en cas d'accident grave, corrosion des matériaux, exploitation des métaux liquides à haute température (le plomb gèle à 320 °C, contre 100 °C pour le sodium), développement des combustibles adaptés.
Ce type de réacteur peut être plus compact, donc potentiellement plus économique qu'un SFR.
Des projets sont néanmoins encours, comme celui de Newcleo ou le projet russe Brest-300.
Réacteurs à sels fondus (MSR)
Fondamentalement différente des autres, cette filière (sans réalisation à ce jour) pose des défis inédits. Les avantages potentiels du MSR en termes de sûreté, de coût et de flexibilité ont attiré entrepreneurs et financements privés.
Cependant, la faisabilité est loin d'être démontrée pour la plupart des domaines de conception : chimie du sel, capacité de retraitement, fonctionnement, matériaux, sûreté, neutronique et thermohydraulique.
Le niveau de TRL est situé entre 1 et 2, selon les concepts. De nombreuses start-up ont émergé depuis une dizaine d'années en Amérique du Nord (Terrapower, Terrestrial Energy, Moltex, Thorcon, Flibe Energy…) et se développent désormais en Europe (Stellaria, Thorizon, Naarea…).
Réacteurs à très haute température (VHTR)
Le VHTR n'existe qu'en spectre thermique et son bilan matière est défavorable par rapport aux réacteurs à eau existants: le combustible ne se recycle pas et génère beaucoup de déchets du fait de la faible densité de puissance. Ce concept a en revanche des atouts sur le plan de la sûreté et pour l'utilisation de la chaleur à des fins industrielles. Il peut être intéressant pour la décarbonation de l'industrie, en remplacement de sources de chaleur fossiles.
Il n'existe aucun projet de VHTR, mais de nombreuses start-up proposent des HTR de 3e génération, comme X-Energy et USNC aux États-Unis ou Jimmy Energy en France. Si les SFR, LFR et MSR ont aussi un rôle à jouer entant que fournisseurs de chaleur industrielle, les VHTR ont une température plus haute (800 °C, contre 500°C).
Réacteurs à eau supercritique (SCWR)
Le concept (sans réalisation à ce jour) est potentiellement le plus compact des réacteurs et donc le plus compétitif économiquement. Les pays ayant une expérience des réacteurs à eau lourde ou de l'eau supercritique (souvent pour la conversion d'énergie de centrales au charbon) sont les seuls porteurs de cette filière qui présente des inconnues importantes en termes de faisabilité, au premier rang desquelles la stabilité neutronique et thermohydraulique du fonctionnement normal.
La filière n'apporte aucune plus-value par rapport au REP quant à la gestion des matières et n'a jamais été réellement étudiée en France. Aucune start-up ne s'est encore approprié le concept.
Réacteurs à neutrons rapides refroidis au gaz (GFR)
C'est dans les années 2000, à la suite d e l'arrêt de Superphénix, que cette filière (sans réalisation à ce jour) a été étudiée en France. L'idée était de remplacer le sodium par un fluide moins réactif chimiquement. Cependant, in fine, il y a des risques à la haute pression et à la faible résilience du concept (en termes d'autonomie et de passivité). Les problèmes de combustible, de matériaux et de sûreté pèsent sur la faisabilité même du concept. Le seul projet en cours est celui du réacteur expérimental Allegro, porté par un consortium de pays (Hongrie, Pologne, République tchèque, Slovaquie).
