Dans les calendriers du nucléaire, les réacteurs européens pressurisés (EPR) et leur version miniature, que sont les petits réacteurs modulaires (SMR ou MMR dans les cas les plus extrêmes), sont au coeur de l’attention pour les prochaines décennies. Mais derrière cette « troisième génération » de réacteurs, qui apporte surtout des améliorations de sûreté et d’industrialisation, se profile déjà la suivante. Comme leurs prédécesseurs, les EPR et SMR utilisent de l’eau pressurisée pour transférer la chaleur que produit la fission. Mais les modèles dits de « quatrième génération » visent à faire rupture.
« En 2001, le forum international GenIV, à l’initiative du département de l’énergie américain, retient six concepts de réacteurs de quatrième génération à partir de quatre grands objectifs : la durabilité pour économiser les ressources naturelles et minimiser les déchets, la compétitivité économique, la sûreté et la non-prolifération », liste Nicolas Thiollière, spécialiste de la modélisation de réacteurs et de parcs nucléaires. Cet enseignant-chercheur à l’IMT Atlantique et au laboratoire Subatech insiste : entre les contraintes techniques et les difficultés réglementaires, cette génération ne devrait arriver à l'échelle industrielle que bien après 2050, donc trop tard pour la transition énergétique.
Mais au moment où le nucléaire reprend du poil de la bête, les programmes se multiplient dans le domaine. Les start-up veulent avancer à toute allure, misant le plus souvent sur des concepts de petite taille (dits réacteurs modulaires avancés, ou AMR) pour tenir leurs promesses. En France même, Emmanuel Macron citait en octobre les « réacteurs nucléaires de petite taille, innovants et avec une meilleure gestion des déchets » parmi les priorités du plan France 2030. Rassemblant donc troisième (SMR) et quatrième génération (AMR) dans un même objectif. Alors que la World Nuclear Exhibition a lieu à Paris du 30 novembre au 2 décembre, L’Usine Nouvelle fait le point sur les technologies et les acteurs en lice de la quatrième génération du nucléaire.
Les réacteurs à neutrons rapides (RNR)
C’est l’option la plus connue en France, portée par le projet de démonstrateur Astrid (abandonné par le CEA en 2019, même si l'institution continue ses recherches) et avant lui Rapsodie, Phénix et Superphénix. Il s'agit d'atteindre le Graal de la fission nucléaire et « fermer le cycle du combustible » selon l'expression consacrée. C’est-à-dire pouvoir réutiliser et valoriser dans ces nouveaux fourneaux nucléaires les combustibles usés radioactifs (notamment le plutonium et l’uranium appauvris) que produisent les centrales classiques.
Comme leur nom l'indique, les RNR (ou FR pour « fast reactors » en anglais) utilisent des neutrons rapides. A l’inverse de ce qui a lieu dans les cuves du parc actuel, ils ne sont pas ralentis par un modérateur et évoluent à grande vitesse (de 4 000 à 20 000 km/s). Une vélocité qui les rend plus susceptibles de s'échapper. Mais elle permet aussi en retour de brûler certains matériaux radioactifs (en premier lieu le plutonium) aujourd’hui stockés. Cela suppose de se passer de l’eau (légère ou lourde) couramment utilisée pour transmettre la chaleur, car celle-ci ralentit les neutrons. Trois technologies de réacteurs rapides sont définies, selon qu’ils sont refroidis par du sodium liquide (SFR), un alliage de plomb (LFR) et du gaz (GFR).
« Les neutrons rapides permettent une meilleure conversion de l’uranium 238 en plutonium 239 », synthétise Nicolas Thiollière. Le premier, qui compose 99% de l’uranium naturel, est peu fissile. Mais il peut générer du plutonium 239, lui-même fissile, dont la fission permet de faire perdurer la réaction, tout en le faisant disparaître. Sur le papier, cela permettrait alors de « stabiliser l’inventaire en plutonium du parc français et de multiplier par 200 le potentiel de production d’électricité de l’uranium naturel », explique le scientifique. 350 tonnes de plutonium civil se retrouvent à divers endroits du parc en France, chiffre Nicolas Thiollière. Une filière de RNR permettrait de ne pas avoir à s’en débarrasser (par exemple en l’enterrant) mais nécessiterait de conserver, voire augmenter significativement ce stock, et de construire des usines dédiées au multirecyclage des combustibles usés.
Le démonstrateur Astrid, pensé sur une architecture refroidie au sodium, a été victime de la baisse des prix de l’uranium (repoussant la priorité des questions de recyclage). Mais les programmes de recherche continuent, insiste le CEA. « Nous devions continuer d’investir pour justifier la sûreté du prototype, ce que nous sommes aujourd'hui en train de démontrer », précise le directeur du programme quatrième génération au CEA, Jean-Claude Garnier. Très réactif et opaque, le sodium est particulièrement dur à manipuler. Reste que la fermeture du cycle du combustible est encore une ambition française et que le monde compte plusieurs projets. La Russie possède déjà deux réacteurs du genre et son entreprise nationale Rosatom a annoncé à l’été 2021 le démarrage d’un réacteur rapide refroidi au plomb en Sibérie. La Chine, elle, construit deux RNR au sodium, dont le premier vise une mise en service en 2023.
Le créneau est aussi trusté par une multitude de jeunes pousses, qui misent sur la vitesse et imaginent une multitude de mini-réacteurs alimentés aux déchets des autres. Issue du Massachusetts Institute of Technology (MIT), la pépite Oklo prévoit un premier réacteur en 2024 tandis qu’en Europe, la jeune pousse britannique Newcleo a annoncé fin août avoir récolté 118 millions de dollars (près de 105 millions d’euros) pour développer un réacteur refroidi au plomb. Un créneau sur lequel se positionnent aussi la suédoise LeadCold ou la roumaine Reinvent Energy.
Les réacteurs à sels fondus (MSR)
C’est la nouvelle coqueluche du panel. Il faut dire que l’ambition des réacteurs à sels fondus (MSR) est grande : dissoudre le combustible fissile (l’uranium, le plus souvent) au sein des sels fondus (fluorure ou chlorure) qui parcourent le cœur du réacteur et transmettent la chaleur. Une astuce permettant de passer d’un processus discontinu, qui impose de recharger les réacteurs à intervalle régulier, à une opération fluide dans laquelle il suffit de filtrer les déchets. La solution a l’avantage d’offrir des gains de sécurité (via des dispositifs passifs et un fonctionnement à basse pression) et de pouvoir brûler progressivement les déchets radioactifs que produit toute réaction de fission.
Grace au cycle continu, « les sels fondus permettent de recycler les matières valorisables (l’uranium et le plutonium), mais aussi les actinides mineurs (comme l’américium ou le curium) qui sont très radioactifs et à vie longue », explique Jean-Claude Garnier. Et de confier que le CEA s’intéresse de près à cette technologie pour la gestion de l’ensemble du cycle du combustible.
Derrière le principe global, les modalités d’opération sont multiples. Et les projets tout autant. Le dernier prototype du genre, hébergé au laboratoire national d’Oak Ridge, aux Etats-Unis, a fermé ses portes en 1969. Mais en septembre, le journal Nature rapportait que la Chine devrait allumer un nouveau prototype (alimenté au thorium) très rapidement. Le pays prévoit un réacteur commercial d’ici à la fin de la décennie. Aucun monopole néanmoins. Rosatom a débuté la construction d’un réacteur de recherche en 2019 et les start-up comptent là encore disrupter l’agenda. Parmi les plus avancées : la pépite américaine TerraPower, cofondée par Bill Gates, prévoit d’édifier un réacteur expérimental d’ici à 2026, avant un réacteur compact commercial d’ici à 2030. Dans la course, se trouvent aussi la société canadienne Terrestrial Energy, la danoise Seaborg (qui veut développer une barge nucléaire fonctionnant sur le principe des sels fondus), la britannique Moltex, l’américaine Flibe (qui prévoit d’utiliser du thorium) ou encore la jeune française Naarea.
Les réacteurs à haute température (HTGR) et à eau supercritique (SCWR)
Faire fondre de l’acier, produire de l’hydrogène… Dans les usines, les sources de chaleur haute température sont précieuses, voire indispensables. Mais particulièrement dures à décarboner. D’où la rupture qu’apporteraient les réacteurs à haute température refroidis au gaz (HTGR), qui combinent des fluides caloporteurs ultra-performants (le plus souvent de l’hélium) et de nouveaux modes de conditionnement du combustible (par exemple sous forme de galets) pour offrir de faire monter la température en sécurité. « L’idée est de fournir de la chaleur à 500°C ou 800°C qui est indispensable pour certains procédés industriels ou réactions chimiques qui consomment du gaz aujourd’hui », éclaire Jean Claude Garnier, en soulignant que le Royaume-Uni s’y intéresse pour cette raison.
Plus confidentiel en France, le secteur a fait parler de lui à l’automne, après que la Chine a annoncé coup sur coup le succès de ses deux premiers démonstrateurs du type qui doivent maintenant être connectés au réseau. D’autres start-up, comme Kairos Power et X-Energy aux Etats-Unis, ou la plus confidentielle Jimmy Energy en France, visent à mettre au point des AMR à haute température d’ici à 2026 ou 2027.
Dernière catégorie de la génération 4 enfin, les réacteurs à eau supercritique (SCWR) sont moins mis en avant. D’après le Forum international pour la génération IV (GIF), ces derniers utilisent encore de l’eau au sein de leur circuit de refroidissement, mais la portent à l’état supercritique – soit à très forte pression et température – pour lui conférer un comportement à l’intermédiaire entre un gaz et un liquide, et optimiser le rendement de la centrale.
