Depuis la catastrophe nucléaire de Fukushima Daiichi en mars 2011, l’industrie nucléaire planche sur des combustibles plus résistants aux accidents. Dès 2012, le département américain de l‘énergie (DOE) a lancé le programme de R&D Accident Tolerant Fuel (ATF), pour développer des assemblages combustibles capables de mieux résister aux conditions extrêmes, de chaleur notamment, pouvant survenir dans une centrale nucléaire arrêtée brutalement. L’objectif est de diminuer les émanations d’hydrogène et de donner plus de temps aux opérateurs de centrales nucléaires pour maîtriser la situation en cas d’accident en limitant l’échauffement des combustibles.
Les ATF promettent aussi d'améliorer le fonctionnement des centrales. Framatome, Westinghouse et Global Nuclear Fuel, une coentreprise entre GE Hitachi et Toshiba, sont les trois industriels qui participent au programme du DOE. Et qui s’activent pour tester leurs solutions en conditions réelles, dans des réacteurs en exploitation. Ils espèrent en effet commercialiser leurs combustibles et les déployer dans des réacteurs commerciaux d'ici à 2025. Ils sont sous pression : que les nouveaux projets nucléaires emploient des ATF conditionne en effet leurs accès à des financements, mais aussi la reconnaissance du nouveau nucléaire comme technologie durable dans la taxonomie verte européenne.
Des combustibles qui rallongeraient la durée de vie des centrales
Selon le DOE, les combustibles ATF seront non seulement plus résistants aux chaleurs et aux vapeurs extrêmes, mais aussi plus performants que le système de combustible actuel composé de dioxyde d'uranium et d'une gaine en zircaloy. Les nouveaux matériaux utilisés réduisent l'accumulation d'hydrogène au cœur du réacteur, améliorent la rétention des produits de fission et sont structurellement plus résistants aux rayonnements, à la corrosion et aux températures élevées, explique le DOE sur son site.
Ils promettent aussi de durer plus longtemps – permettant d'allonger l'intervalle entre deux rechargements de 1,5 an à 2 ans, voire davantage – et d'utiliser environ 30% de combustible en moins. Les combustibles tolérants aux accidents devraient aussi être conçus pour avoir un taux de combustion plus élevé, espère le DOE, permettant ainsi aux centrales de fonctionner plus longtemps, voire à une puissance plus élevée, avec moins de temps d'arrêt. Reste à le démontrer.
En compétition avec Westinghouse et Global Nuclear Fuel
En juillet 2022, l’américain Westinghouse annonçait un partenariat avec EDF sur son programme EnCore Fuel. Ce programme prévoit la fourniture d'une gaine en zirconium revêtue de chrome pour une meilleure résistance à l'oxydation et à la corrosion, et de pastilles de densité plus élevée pour une meilleure rentabilité du combustible dans une première phase, explique l’américain dans un communiqué. Il a déjà fait l’objet de tests dans ses centrales américaines et européennes en 2019 et 2020.
Westinghouse explique aussi vouloir introduire une gaine composite en carbure de silicium et des pastilles de siliciure d'uranium à haute densité pour offrir une plus grande sécurité et des avantages économiques. L'américain doit livrer des assemblages EnCore avec des barres d'essai en plomb (LTR) à EDF depuis son usine de fabrication de combustible de Västerås, en Suède.
Global Nuclear Fuel (GNF) a lui développé deux types de crayons, le IronClad possédant une gaine en alliage Fe-Cr-Al et l'Armor utilisant un nouveau revêtement de zirconium. Le premier tiendrait la corde. Après un test de 24 mois de ses barres IronClad à la centrale nucléaire Edwin I. Hatch en Géorgie aux Etats-Unis, GNF a annoncé en 2020 les faire évaluer par le laboratoire national Oak Ridge du DOE afin de pouvoir les commercialiser.
Une unité pilote pour les crayons chromés
Framatome n’est pas en reste. Avec EDF et le CEA, l'industriel qui doit aussi produire les pièces des EPR2 en série, travaille sur le concept de gaine revêtue de chrome depuis près de 10 ans. Pour développer ses crayons de combustible précurseurs PROtect EATF, un laboratoire a été créé sur son site de Paimboeuf (Loire Atlantique). C’est là que la filiale d’EDF produit les crayons en zirconium qui servent à la fabrication des assemblages de combustibles finalisés à l’usine Framatome de Romans-sur-Isère (Isère). Cette dernière fournit 125 des 253 réacteurs à eau pressurisée (REP) dans le monde. A Paimboeuf, grâce notamment à des outils de contrôle non destructif innovants, Celine Ly, la référente technique du procédé de dépôt de chrome par plasma à l’intérieur des gaines de zirconium de Framatome, a pu valider la technologie de dépôt de chrome et le procédé pour chromer dix tubes en 24 heures.
Ce sont ces tubes, produits en France, qui ont permis de réaliser dans l’usine américaine Framatome de Richland (Etat de Washington) les premiers assemblages ATF complets avec des pastilles dopées à l’oxyde de chrome. Ils ont réalisé deux cycles complets, soit 36 mois, à la centrale Alvin W. Vogtle de Georgia Power exploitée par Southerne Nuclear. Un test suffisant pour passer à l’étape suivante, l’industrialisation. Une unité pilote de production de ces crayons chromés pour ATF va être installée à Paimboeuf, sur le terrain d’un ancien site de retraitement de palettes acquis juste à côté. « L’objectif est à termes que 20 % de la production de Paimboeuf sorte en ATF », explique le directeur du site Damien Cholet. En attendant, EDF va à son tour tester les ATF de Framatome. En juillet 2023, les deux entreprises ont annoncé qu’elles envisageaient la production de quatre assemblages précurseurs pour une insertion dans l’une des centrales nucléaires d’EDF.
Des pastilles ATF imprimées en 3D au CEA
EDF et le CEA sont aussi impliqués dans un programme de R&D européen Horizon 2020 sur les ATF, lancé par Euratom et baptisé Il Trovatore. Il rassemble 30 participants, dont beaucoup de laboratoires allemands, et est coordonné par l’université de Huddersflied, au Royaume-Uni, avec un budget de 5,4 millions d’euros, dont 5 millions de l’Europe. Son objectif principal est « d'identifier les meilleurs matériaux de gainage ATF candidats à une utilisation dans les réacteurs à eau légère de génération II et III/III+ et de les valider dans un environnement industriel pertinent, c'est-à-dire sous irradiation neutronique dans de l'eau semblable à celle d'un REP ». Il a pris fin en décembre 2023.
Des travaux portent aussi sur des pastilles de combustible ATF. C’est le cas notamment au CEA. Dans son département études combustibles, le laboratoire UO2 travaille sur son site de Cadarache sur un concept de fabrication additive de pastilles EATF visant à inclure dans les pastilles des isolants thermiques. Différents designs, dont un en étoile et un autre creux, sont à l’étude pour limiter la conduction thermique et en réduisant la température à cœur des pastilles. La contrainte étant de garder au minimum 95 % de la densité initiale en oxyde d’uranium (UO2). Les travaux ont débuté en 2018. Une thèse a été lancée en 2021. Le CEA espère imprimer un premier objet en uranium en 2024 et réaliser une première expérimentation en 2025 dans un réacteur en Belgique.
