Élagage des dangers

Moins cher, un réacteur à sels fondus ?

On peut comprendre que certains ont du mal à croire une telle promesse, venant d’un secteur nucléaire qui a tant de mal à respecter ses engagements, que ce soit pour les temps de construction ou pour le coût des centrales.

Cout temps EPR flamanville

Mais un réacteur à sels fondus est conçu autour d’un combustible liquide. C’est une technologie fondamentalement différente des réacteurs à eau pressurisée qui sont exploités dans toutes les centrales nucléaires françaises aujourd’hui.

Selon Jean-Marc Jancovici, en caricaturant à peine, le cout du nucléaire est à 30% un « cout technique » […] et à 70% le « cout de la précaution » (ce que d’aucuns pourraient appeler le « cout de la trouille »

Pour travailler de façon rationnelle sur cette trouille, les ingénieurs spécialistes dans les études de sécurité utilisent un outil appelé « arbre de défaillances », qui permet de représenter graphiquement les combinaisons possibles d’événements qui permettent la réalisation d’un événement indésirable prédéfini. Le dialogue entre un vendeur de réacteur comme Framatome et une autorité de sécurité s’articule autour de cet arbre de défaillances.

Avec 60 ans d’expérience dans la conception, construction et exploitation des réacteurs à eau pressurisée, l’arbre de défaillances pour cette technologie est largement connu et documenté, et c’est pourquoi le niveau de sécurité de ces machines est excellent.

Mais c’est un grand arbre.

Il y a une relation assez directe entre la taille de l’arbre de défaillances et le coût de la centrale. Alors que le concept fondamental du réacteur n’a pas changé depuis 60 ans, le retour d’expérience des incidents et accidents nucléaires a ajouté de nouvelles branches, brindilles et feuilles à l’arbre de défaillances. Et chaque feuille doit être couverte par au moins un système de sécurité, pour assurer une probabilité d’accident très faible, ce qui fait augmenter le coût.

Le paradigme actuel est qu’on a tellement de retour d’expérience avec le réacteur à eau pressurisée qu’il est pratiquement impossible de changer le concept. On doit vivre avec les dangers qui sont intrinsèques à ce concept et travailler pour réduire les risques. Dans le diagramme ci-dessous, cela implique de suivre la flèche bleue :

Réduire Risques

Revenons à l’exemple de l’EPR, qui est un exemple type de ce paradigme. Dans un réacteur à eau pressurisée, la perte de la capacité à refroidir le réacteur est un dysfonctionnement grave qui peut avoir comme conséquence une fusion du cœur. Les pompes de refroidissement qui font circuler l’eau pressurisée autour des assemblages de combustible doivent fonctionner à tout moment. Des branches conséquentes de l’arbre de défaillance sont dédiées à l’analyse des risques associés à ce danger.

Et si on perd l’alimentation électrique des pompes ?

  • On démarre un générateur diesel de secours pour rétablir le courant.

Et si le générateur de secours est en panne ?

  • On a un autre générateur de secours à côté du premier.

Et si les deux souffrent d’une faute commune ?

  • Un troisième générateur de secours, fabriqué par un autre fournisseur, est installé à côté des deux autres.

Et si le bâtiment qui contient les générateurs est endommagé ou détruit (inondation, chute d’avion, explosion terroriste…) ?

  • Dans un autre bâtiment de l’autre côté de la centrale, il y a 3 autres générateurs de secours.

Générateurs EPR

On comprend facilement que cette stratégie de redondance est un fort inducteur de complexité, de coût, et de temps pour la conception, délivrance de permis, construction & mise au point. Quand on suit la flèche bleue, le coût augmente.

Les architectes atomiques qui sont à l’œuvre dans la conception des réacteurs à sels fondus ont un paradigme différent. Pour réduire le coût d’une centrale, le concept peut être simplifié si on réduit ou élimine les dangers.

Eliminer dangers

Avec un combustible liquide, tout un tas d’outils, d’astuces et de solutions élégantes et ingénieuses sont à la disposition de l’architecte qui sont tout simplement impossibles à mettre en œuvre quand le combustible est un solide. En suivant la flèche verte on a tendance à réduire le coût, par un grand élagage de l’arbre de défaillances :

Elagage des dangers

Pression

Dans un réacteur à eau pressurisée, une énergie potentielle énorme est stockée dans l’eau chaude sous pression. Si elle est relâchée soudainement, cette eau présente le danger de se transformer en vapeur et de propulser des matières radioactives dans l’environnement. L’accumulation de produits de fission gazeux dans les gaines de combustible représente un deuxième danger de pression.

Dans un réacteur à sels fondus, le combustible liquide est à pression atmosphérique. Ces dangers sont éliminés.

Terme source volatil

Le terme source – les types et quantités de matières radioactives ou dangereuses rejetées dans l’environnement à la suite d’un accident – représente un danger différent en fonction de son état.

Terme source

Les isotopes radioactifs qui sont à l’état solide ou liquide n’iront pas loin en cas d’accident. Mais ceux qui sont à l’état gazeux peuvent être dispersés dans l’atmosphère dans un nuage radioactif capable de contaminer de vastes surfaces.

Dans un combustible conventionnel à oxyde solide certains produits de fission qui posent un risque pour la santé humaine, comme le césium et l’iode, sont volatils – ils existent à l’état gazeux.

Dans un combustible à sels fondus ces isotopes sont confinés chimiquement par le liquide ionique, avec une pression de vapeur saturante quasiment nulle. La quantité de terme source volatil est réduite par un facteur d’environ un million. Le danger qui contribue le plus à la « trouille » de l’énergie nucléaire est pratiquement éliminé.

Contrôle actif de la réactivité

Dans un réacteur à eau pressurisée, la puissance du réacteur est contrôlée à l’aide de barres de contrôle qui absorbent des neutrons.

Barres de contrôle

Quand on veut augmenter la réactivité on lève les barres de contrôle. Moins de neutrons sont absorbés et la réaction en chaîne accélère. Quand on veut réduire la réactivité ou arrêter le réacteur on baisse les barres de contrôle. C’est un système de contrôle actif, piloté par des mécanismes, par des logiciels et par des humains. Une défaillance peut mettre le réacteur dans un état instable et être à l’origine d’un accident de criticité.

Un réacteur à sels fondus est un système homéostatique, autorégulant, où le contrôle de la réactivité est géré passivement, sans barres de contrôle. Quand la température du combustible augmente, le liquide se dilate. Chaque atome se trouve un petit peu plus loin des autres, et la probabilité de fissionner un noyau lourd diminue, donc la réactivité et la puissance diminuent aussi. Quand la température baisse, le liquide se contracte et la puissance augmente. Les lois de la physique sont aux commandes.

Ecoutons le directeur scientifique de l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire :

Refroidissement actif

Dans tous les réacteurs nucléaires, la chaleur est générée de deux manières :

  1. La fission de noyaux lourds d’atomes, qui génère deux atomes plus petits appelés produits de fission (environ 89% de la chaleur produite)
  2. La désintégration des produits de fission radioactifs (les 11% de chaleur restants)

On peut arrêter la fission à tout moment. Dans un réacteur à eau pressurisée par exemple on fait tomber les barres de contrôle dans le cœur – après 2 secondes il n’y a plus de fission. Mais il est impossible d’arrêter la désintégration des produits de fission. Dans un combustible solide, cette chaleur doit passer par conduction à travers la matière de chaque pastille, et ensuite par conduction à travers la gaine pour arriver dans l’eau de refroidissement. Il est essentiel d’évacuer la chaleur pour éviter une montée en température dangereuse qui peut finir par une fonte des pastilles de combustible, d’où l’importance des pompes dans un réacteur à eau pressurisée, pour assurer un refroidissement actif, et des générateurs de secours évoqués plus haut pour assurer un fonctionnement en permanence de ces pompes.

Un combustible liquide profite du phénomène physique de la convection pour transporter la chaleur produite par les produits de fission vers les parois du réacteur, où elle peut être évacuée par des systèmes passifs qui ne nécessitent aucune intervention humaine.

Réactivité chimique

Dans un réacteur nucléaire, les matériaux utilisés peuvent être une source de dangers. Les pastilles de combustible solide dans un réacteur à eau pressurisée sont revêtues d’une gaine en alliage de zirconium, un matériau qui a beaucoup d’avantages pour le fonctionnement du réacteur. Mais le zirconium peut réagir chimiquement avec l’eau autour des gaines si elles ne sont pas refroidies correctement, dégageant de l’hydrogène :

Feu de zirconium

Pour gérer ce danger, les réacteurs EPR sont équipés de combineurs, capables de reconvertir l’hydrogène en eau, un système qui augmente le coût du réacteur.

On peut mentionner ici les réacteurs à neutrons rapides refroidis avec du sodium liquide. Le sodium est un matériau très intéressant pour la physique d’un réacteur, mais qui présente des challenges lourds (et donc chers) dans la gestion de sa réactivité chimique :

Mais ce même sodium, dans sa forme ionique et combiné avec un autre élément réactif – le chlore – vous en avez dans votre cuisine.

C’est justement parce que les sels sont composés d’éléments très réactifs qu’une fois combinés avec une liaison ionique ils forment des substances chimiquement très stables. Que se passe-t-il s’il y a une fuite dans un réacteur à sels fondus ?

Prolifération

Les vendeurs de double vitrage ne parlent plus de vitrage « anti-effraction », préférant le terme « retardataire d’effraction ». Si un cambrioleur veut casser votre fenêtre, il y arrivera s’il a assez de temps.

Pour la prolifération nucléaire c’est un peu pareil – dès qu’on utilise des matières fissiles il est impossible d’éliminer totalement le danger de leur contournement pour des utilisations militaires ou terroristes. Cette branche de l’arbre de défaillance ne peut pas être coupée, mais elle peut être élaguée si on rend la vie extrêmement fastidieuse pour une organisation avec de telles intentions.

Les réacteurs à sels fondus ont plusieurs attributs qui réduiraient ce danger :

  • Ils peuvent être alimentés par des combustibles avec des niveaux d’impuretés désavantageux pour un malfaiteur.
  • Le combustible dans le réacteur est protégé par le rayonnement intense des produits de fission.
  • Les combustibles peuvent être « dénaturés » avec de l’uranium naturel.
  • Si un retraitement en ligne est utilisé, les déchets peuvent être exempts de matières fissiles.
  • Si le cycle de combustible thorium – uranium est employé, la matière fissile est protégée par les descendants de l’Uranium-232, très radioactifs.
  • Il n’est pas nécessaire d’utiliser de l’uranium hautement enrichi

Réserve de réactivité

Les combustibles solides sont placés dans un réacteur à eau pressurisée pour une période typiquement de 12 à 18 mois. Pour assurer un fonctionnement à pleine puissance à la fin de cette période il faut commencer le cycle avec une réserve de matière fissile. En début de cycle, sans les barres de contrôle, le réacteur serait en état de sur-criticité.

Pendant le cycle, la réaction en chaîne est empoisonnée par le Xénon-135, un produit de fission gazeux qui absorbe beaucoup de neutrons et qui peut provoquer des oscillations de puissance. Ce gaz est produit à l’intérieur de la matière solide du combustible, et reste bloqué dans sa structure. Il est nécessaire de prévoir un surplus de réactivité pour compenser la réactivité perdue par l’absorption des neutrons par le Xénon.

Dans un combustible liquide, les produits de fission gazeux comme le Xénon forment des bulles et sortent du combustible en remontant à la surface du liquide. Avec la possibilité d’ajouter de la matière fissile pendant un cycle, le danger de la réserve de réactivité en début de cycle peut être fortement réduit.

Liquide –> gaz

Dans la production d’énergie, une température plus élevée rime avec efficacité dans la conversion de puissance. Les concepteurs des réacteurs à eau pressurisée rêvent de faire grimper leurs températures de fonctionnement de quelques degrés, pour extraire du système davantage de mégawatts utiles d’énergie nucléaire.

Mais l’eau dans ces réacteurs doit rester à l’état liquide, sinon on met le système dans un état dangereux. Dans le diagramme température / pression ci-dessous, il faut éviter de se rapprocher trop de la ligne entre la région verte et la région orange.

Pression - température

Une façon de s’éloigner de cette ligne limite, c’est d’augmenter la pression (par exemple, un réacteur EPR fonctionne à 155 bars). Mais plus de pression implique plus de danger, et une plomberie plus épaisse, donc plus chère. Le pauvre concepteur est tiré dans tous les sens :

  • Augmenter la température pour plus de valeur !
  • Baisser la pression pour réduire le coût !
  • Pas trop proche de la limite pour la marge de sécurité !

Fonctionnant à pression atmosphérique, le combustible dans un réacteur à sels fondus est typiquement à une température autour de 700°C, donc l’efficacité dans la conversion de puissance passe de 33% à 45-50%. La marge de sécurité est beaucoup plus grande puisque les sels fondus ont un point d’ébullition typiquement autour de 1400°C. Tranquille.

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Travailler au niveau du concept pour éliminer ou réduire les dangers, au lieu de réduire les risques d’un concept connu, est un nouveau paradigme dans l’énergie nucléaire. Les architectes atomiques qui ont fait ce changement de paradigme sont déjà en dialogue avec des autorités de sûreté – au Canada, en Chine, aux Etats-Unis et ailleurs, mais pas en France. Toujours à la recherche du meilleur compromis entre valeur, coût et temps, la fission liquide les aide à élaguer leurs arbres de défaillances, pour un dialogue plus serein, et une énergie nucléaire plus sûre et moins chère.

UK flag Une version anglaise de cet article est disponible ici.

Illustration de l’arbre de défaillances : Alexia Laurie

Une journée technique

Comment innover dans l’énergie nucléaire en France ?

Le thème pour la journée technique organisée par la Société Française d’Energie Nucléaire vendredi 1 décembre était la « place et évolution de l’énergie nucléaire dans le futur« . Quels sont les alternatifs aux grands Réacteurs à Eau Pressurisée comme l’EPR (ou EPR-NM) ?

La journée comprenait des présentations sur les trois technologies suivantes :

VCT

EDF a dévoilé des informations techniques sur leur petit réacteur modulaire (Small Modular Reactor – SMR). Avec une architecture intégrée et compacte, chaque réacteur aurait une puissance de 170 mégawatts électriques, logé dans une enceinte métallique de hauteur 15m et immergée dans un bassin d’eau pour assurer une sécurité passive. D’autres avantages seraient apportés par un bâtiment réacteur semi-enterré couvert par un tumulus de terre, contenant 4 réacteurs et permettant de mutualiser des ressources comme le bassin d’eau ou la salle de commande.

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Cette technologie fait désormais l’objet d’un avant-projet sommaire chez EDF, en partenariat avec le CEA, Naval groupe et Technicatome, qui doit déboucher dans 3 ou 4 ans sur une décision d’engager … ou non … son développement.

Mais le problème des petits réacteurs modulaires, c’est qu’ils sont petits.

Certes, la maîtrise française de la conception et l’exploitation des réacteurs à eau pressurisée permettra de développer cette technologie dans les années 2020, pour une commercialisation vers 2030. Certes, un petit réacteur modulaire sera moins cher que ses gros cousins qui constituent actuellement le parc français. Mais comme il sera environ 10 fois moins puissant qu’un EPR, pas sûr que les leviers économiques des petits réacteurs compensent la perte de valeur de cet effet d’échelle ! En tout cas, les experts économiques de l’I-tésé (Institut de Technico-Economie des Systèmes Energétiques) au CEA suivent l’affaire avec intérêt.

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Ensuite il y a ASTRID, le projet pour un démonstrateur de Réacteur à Neutrons Rapides au sodium (RNR-Na) développé par le CEA. Cette filière a l’avantage de présenter beaucoup de valeur : utilisation du stock français d’Uranium appauvri, fermeture du cycle de combustible, surgénération … avec les RNR sodium, l’énergie nucléaire serait assurée pendant des millénaires !

ASTRID

Dans l’avant-projet en cours, mené par un consortium d’entreprises françaises et internationales avec environ 600 personnes, il y a des discussions avec l’Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire (IRSN), mais pas encore d’engagement formel avec l’Autorité de Sûreté Nucléaire (ASN). Cet avant-projet doit déboucher en 2019 sur une décision par les tutelles du CEA d’engager … ou non … le développement d’ASTRID.

Mais le problème des RNR sodium, c’est qu’ils sont chers.

Certes, la valeur offerte par cette filière est séduisante. Certes, la France maîtrise la technologie, ayant construit les réacteurs Rapsodie, Phénix et Superphénix, et elle a un grand retour d’expérience. Mais utiliser un caloporteur sodium avec un combustible solide, même si le danger de la pression est éliminé, présente un danger de réactivité chimique. Les inconvénients de ce concept sont identifiés et il est possible d’y remédier, mais les études économiques de l’I-tésé et d’autres sont claires : le principal enjeu de cette technologie est son coût.

Enjeux ASTRID

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Enfin, le concept de réacteur à sels fondus MSFR développé par le CNRS, qui se décline désormais en deux versions – un grand réacteur d’un Gigawatt, et un petit réacteur modulaire d’une puissance entre 100 et 300 Mégawatts. Les avantages de sûreté intrinsèques d’un combustible liquide avec des sels fondus chimiquement stables sont démontrés par les études de la petite équipe du CNRS, et apportent à la fois de la valeur et la possibilité d’une rupture dans le coût de l’énergie nucléaire.

MSFR

Il est déjà appréciable que la SFEN ait accepté d’inclure une présentation sur cette technologie dans leur journée technique. Le sujet est désormais incontournable dans toute discussion de la place et évolution de l’énergie nucléaire dans le futur, avec un intérêt international grandissant et le foisonnement d’entreprises start-up.

Pour les réacteurs à sels fondus, le temps est-il vraiment un problème ?

Quand le CEA parle des réacteurs à sels fondus, on pourrait conclure que les développements ne sont pas pour demain :

  • C’est un concept très innovant
  • Aucune construction d’un réacteur même prototype n’est actuellement lancée
  • Demanderait un processus de certification qui ne serait pas simple
  • Un certain nombre de difficultés techniques à résoudre en particulier dans le domaine de la chimie
  • Par contre c’est intéressant comme concept

Mais le CEA n’est pas un spécialiste dans ce domaine, ayant abandonné leur travail sur la technologie en 1983 en faveur des RNR sodium. Malheureusement, les économistes de l’I-tésé n’ont jamais chiffré un réacteur à sels fondus.

Les spécialistes dans d’autres pays disent que la technologie peut être déployée dans les années 2020, avec des architectures simplifiées par rapport au concept MSFR français. Le 7 novembre, l’Académie des Sciences de Chine et la province du Gansu ont signé un accord de coopération nucléaire pour un projet de réacteur à sels fondus à base de thorium, et visent un premier prototype de 2 Mégawatts en 2020.

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En France, la communauté politique se pose actuellement de sérieuses questions sur le nucléaire. Est-ce une énergie de transition ou une énergie du futur ?

Si les réacteurs à sels fondus peuvent répondre aux attentes des clients de l’énergie nucléaire en termes de valeur, de coût et de temps, il serait temps d’y consacrer beaucoup plus de ressources.

 

Architecte !

En janvier 2014, un article publié sur ce site a prédit que :

Le champion de la deuxième époque nucléaire sera l’Architecte de Système d’Énergie Nucléaire.

Illustrons cette idée – à quoi pourrait ressembler l’un de ces architectes atomiques ?

Architecte ! FR

Cette personne est dynamique et déterminée. Il va de l’avant, motivé par l’envie de satisfaire les besoins d’un client, et par l’énorme potentiel de l’atome pour résoudre le problème urgent du changement climatique.

Il est content parce qu’il a une vision de construire une machine qui sera un progrès pour l’humanité et pour la nature. Il porte des outils qui, utilisés ensemble, lui permettront d’atteindre cette vision.

Son client a besoin d’une technologie de rupture qui produira de l’énergie propre qui est moins chère que le charbon. Notre architecte n’est pas un grand expert de la physique, ni de la chimie, mais il sait comment réunir ces disciplines et d’autres pour illustrer, défendre et développer un concept équilibré de système d’énergie nucléaire, en termes de valeur, coût et temps, qui sera attractif pour les parties prenantes tels que le client et des investisseurs.

Dans sa façon de penser, il a rejeté certaines mythes et croyances de la première époque nucléaire, tel que l’idée que le nucléaire est spécial ou différent des autres industries, ou celle qui consiste à dire que les règles normales du marché ne s’appliquent pas au nucléaire. Il est ouvert à des solutions très différentes de la technologie traditionnelle, comme des réacteurs avec un combustible liquide à base de sels fondus qui lui permettent de profiter pleinement des outils dans ses deux boîtes.

Physique + Chimie > Physique

Ce n’est pas toujours facile pour lui de travailler avec ses collègues physiciens et chimistes. Les disciplines scientifiques sont surtout concernées par la recherche de propositions pour la création de valeur (pour un physicien de réacteur, le coût et le temps ne sont tout simplement pas son problème…). Mais comme c’est lui qui décide, il arrive à les sortir de leur monde dominé par la certitude de la connaissance scientifique, pour les emmener vers le monde de l’architecte, plongé dans le doute permanent du meilleur compromis entre valeur, coût et temps.


 

Le secteur de l’énergie nucléaire a un problème de gouvernance. Impressionnés par la neutronique, les politiques ont donné aux physiciens le pouvoir de décider quel concept développer. Des architectes seraient mieux placés pour défendre les intérêts des parties prenantes.

On a commencé par une prédiction – terminons par une autre :

La deuxième époque nucléaire débutera lorsque les politiciens transféreront le pouvoir des physiciens aux architectes.

Espérons que ce passage de pouvoir se passera dans de bonnes conditions.

 

Illustration : Alexia Laurie

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Un avis positif

Terrestrial Energy a reçu hier l’avis de la Commission canadienne de sûreté nucléaire (CCSN) que la première phase de l’examen de la conception de fournisseur pour le réacteur intégral à sels fondus (IMSR) a été terminée avec succès. C’est le premier avis réglementaire d’une autorité de sûreté nucléaire occidentale sur la conception d’une centrale électrique commerciale avancée.

Le directeur général de Terrestrial Energy, Simon Irish, a déclaré: « L’achèvement de la phase 1 de l’examen de la conception de fournisseur – le premier réacteur avancé à le faire – est une réalisation historique. L’entreprise se positionne en précurseur dans un secteur technologique en croissance rapide. La centrale nucléaire IMSR est une technologie énergétique transformatrice qui prend un pas de plus vers l’objectif de faire une contribution majeure à la demande mondiale croissante d’énergie à faible coût, propre et fiable. »

 

CCSN doc

La commercialisation d’une centrale nucléaire avancée telle que l’IMSR implique d’anticiper une série d’activités pour soutenir le déploiement, notamment l’engagement réglementaire et industriel, la sélection du site et le soutien du gouvernement. Terrestrial Energy a fait de grands progrès dans ces domaines importants:

«Les agences internationales de l’énergie reconnaissent que les énergies renouvelables intermittentes telles que l’éolien et le solaire ne peuvent pas répondre à toutes les exigences d’un système mondial d’énergie propre et conviennent que l’énergie nucléaire jouera un rôle crucial dans la satisfaction de nos futurs besoins énergétiques. Les réacteurs avancés offrent un ensemble de technologies nucléaires nouvelles et transformatrices avec zéro émissions, une application industrielle beaucoup plus grande, et qui rendent les centrales nucléaires plus économiques et plus faciles à financer.»

 

Source : communiqué de presse

Image d’une centrale IMSR : Terrestrial Energy

Un tabouret à trois pieds

Toute évolution technologique est précédée par un changement philosophique. C’est quand on arrive à penser différemment, quand on challenge sa culture, ses croyances et valeurs, qu’on peut repartir sur une voie différente.

Vu de l’extérieur, dans la culture de ceux qui soutiennent la fission nucléaire, il semble y avoir quelques croyances curieuses :

  • Le nucléaire est spécial, différent.
  • Les règles normales du marché ne s’appliquent pas au nucléaire.
  • On utilise le nucléaire uniquement pour produire de l’électricité.
  • Le nucléaire est une affaire d’état, de gouvernements
  • La physique est plus importante que la chimie.
  • La technologie est plus importante que les humains.
  • La valeur est plus importante que le coût et le temps.

Commençons par regarder la dernière sur la liste.

Dans le transfert de technologie, entre l’émergence d’une idée et sa commercialisation, différentes voies sont imaginées, explorées et évaluées selon trois critères : la valeur, le coût et le temps. Comme un tabouret à trois pieds, les idées de produits et services avec une proposition équilibrée entre ces critères sont attractives pour les investisseurs, les clients et le public, pour le développement d’un marché.

Tabouret 3 pieds

La découverte de la fission nucléaire a ouvert une nouvelle proposition de valeur pour l’humanité dans la production d’énergie : à masse égale, elle produit environ un million de fois plus d’énergie que la combustion. Et elle peut produire ces quantités massives d’énergie, de façon fiable et pilotable, sans émettre dans l’environnement des polluants comme le dioxyde de carbone. Très concentrée sur la maîtrise scientifique et industrielle de cette proposition de valeur, la communauté nucléaire a développé une culture où le coût et le temps sont des inconvénients à traiter plus tard.

Au début, cette stratégie a bien fonctionné. Même si une machine capable d’entretenir une réaction en chaîne était plus chère et plus longue à concevoir et construire qu’une centrale électrique à charbon ou à gaz, la valeur et les économies d’échelle offertes par des réacteurs de plus en plus puissants couvraient largement les écarts de coût et de temps. Le nucléaire était capable de tenir ses promesses et attirer des grands investissements.

Mais le marché de l’énergie a changé. L’industrie fossile, avec peu de propositions pour augmenter sa valeur, s’est concentrée sur la réduction de ses coûts – avec par exemple le développement de la fracturation hydraulique pour extraire du gaz naturel. Un lobby intense a attaqué tous les aspects de l’énergie nucléaire : réglementation, image du public, délais de construction, sécurité, peur de la radioactivité… La férocité et la constance de ces attaques sont impressionnantes, mais au lieu de se défendre contre la dégradation de ses performances en coût et en temps, la communauté nucléaire a répondu en proposant toujours plus de valeur : plus de puissance, plus de sûreté, une meilleure gestion du cycle de combustible, moins de risque, maîtrise de la fiabilité… Au point où la complexité de la technologie et des projets est telle que le bon équilibre entre valeur, coût et temps a été perdu, et l’offre de l’industrie pour la construction de nouvelles centrales nucléaires n’est plus en mesure de tenir ses promesses :

Tabouret bancal

Dans la lutte contre le réchauffement climatique, le monde a besoin de l’énergie de la fission nucléaire. Mais laquelle ? Il y a des dizaines de concepts possibles pour une centrale nucléaire, chacun avec ses avantages et inconvénients.

Le marché veut accéder à la valeur de l’énergie nucléaire avec moins de coût, et plus vite. La survie de l’énergie nucléaire dépendra de la capacité de la communauté de personnes qui se soucient de sa proposition de valeur à changer leurs croyances dans l’évaluation des nouveaux concepts.

On commence à voir ce changement de paradigme dans les entreprises de nucléaire avancé, qui ont compris l’importance primordiale du temps. La recherche d’innovations modulaires est une tentative d’en finir avec l’idée qu’il faut dix ans pour construire une centrale nucléaire. Aussi, certains concepts avec un potentiel important de réduction de coût, comme les réacteurs à sels fondus, n’ont pas encore été déployés à une échelle industrielle, et il est essentiel de présenter aux investisseurs un chemin vers la commercialisation crédible, rapide et avec le moins de risque possible. Pour éviter de longs programmes de recherche, il faut être prêt à utiliser des composants, des procédés et des matériaux déjà éprouvés, donc de faire des compromis difficiles sur la proposition de valeur, et parfois sur le coût.

Dans une conférence à Paris le 28 septembre 2017, le président de la Société Nucléaire Américaine (ANS) Robert Coward a dit que le but pour le nucléaire avancé était d’offrir « la moitié du coût, deux fois plus vite ». Si la communauté nucléaire peut changer ses croyances et sa façon de penser, si elle peut mettre toutes ses forces derrière des concepts équilibrés en termes de valeur, coût et temps, le marché réserve un avenir brillant pour cette énergie, pour l’environnement et pour l’humanité.

UK flag Cliquez ici pour la version anglaise de cet article.

Illustration : Alexia Laurie (compte Instagram – drawings_by_giraffs)

Combien coûteront les centrales nucléaires avancées ?

L’Energy Innovation Reform Project (EIRP), une organisation américaine à but non lucrative, a publié le 25 juillet 2017 un rapport préparé par l’Energy Options Network (EON) qui donne une première réponse à cette question épineuse.Rapport EON

Vous trouverez ici une traduction française de la synthèse de ce rapport.

Un modèle économique dérivé de celui développé par le Forum International Génération IV a été utilisé pour comparer les technologies de 8 entreprises :

EON participants

 

…en termes de leurs coûts de capital, coûts d’exploitation et coûts moyens actualisés de production d’électricité :

Tableau 2.jpg

Figure 1. Coûts de capital pour toutes les entreprises participantes

Figure 1

Figure 2. Coûts d’exploitation pour toutes les entreprises participantes

Figure 2

Figure 3. Coût moyen actualisé d’électricité pour toutes les entreprises participantes

Figure 3

Voici quelques phrases particulièrement intéressantes, extraites du rapport :

« les estimations de coûts de certaines entreprises de réacteurs avancées – si elles sont précises – suggèrent que ces technologies pourraient révolutionner la façon dont nous pensons au coût, à la disponibilité et aux conséquences environnementales de la production d’énergie »

« les entreprises de nucléaire avancé projettent des cibles de coûts qui, si elles sont atteintes, seraient près de la moitié du coût des centrales nucléaires conventionnelles »

« Ce constat a d’importantes implications stratégiques pour l’industrie et le pays. »

« Aux États-Unis, ces technologies pourraient être la solution définitive pour les problèmes économiques de l’énergie nucléaire sur les marchés de libre concurrence. À ces niveaux de coûts, le nucléaire serait effectivement compétitif avec toute autre option pour la production d’électricité. Au même temps, cela pourrait permettre une expansion significative de l’empreinte nucléaire dans les régions du monde qui ont le plus besoin d’énergie propre, et dont les moyens manquent pour la payer aux prix élevés. »

« Les stratégies communes de réduction des coûts comprennent les éléments suivants :

  • Des conceptions de centrales simplifiées et standardisées
  • Intégration de fabrication à l’usine et au chantier naval
  • Modularisation
  • Réduction de besoins en matériaux
  • Réduction de périmètre pour les entreprises d’ingénierie, d’approvisionnement et de construction
  • Temps de construction plus court
  • Densité de puissance augmentée
  • Efficacité augmentée »

« Naturellement, il y a des limites intrinsèques à un exercice de calcul des coûts pour de tels concepts à des stades précoces, et il existe plusieurs raisons pour lesquelles les coûts finaux pourraient s’écarter de ces estimations rapportées. Ces estimations ne devraient pas être considérées comme définitives; Plutôt, ils reflètent au mieux les estimations actuelles. « 

« La compréhension du potentiel économique de cette industrie sera importante tant pour les investisseurs que pour les décideurs. »

« il est important de réfuter les idées fausses sur les coûts »

Une rupture numérique ?

Hier, la Société Française d’Énergie Nucléaire a tenu sa convention annuelle, sur le thème « Le nucléaire accélère sa transformation numérique ».

Convention SFEN 2017

Image : SFEN (via Twitter)

Dans son introduction, le président de la SFEN Christophe Béhar a rappelé que le numérique n’est pas une fin en soi, mais un levier puissant qui permettra à la filière nucléaire d’aller plus vite, de manière intégrée, et de revoir ses processus.

Xavier Ursat, Directeur Exécutif d’EDF en charge de la Direction Ingénierie et Projets Nouveau Nucléaire, considère que le nucléaire a « pris du retard » par rapport aux autres industries comme l’automobile ou l’aéronautique. Il admet que le nucléaire est aujourd’hui questionné sur sa compétitivité, sur sa capacité à tenir les coûts et les délais : « L’industrie continuera à réussir si elle tient ses promesses. »

François Gauché, Directeur de l’Énergie Nucléaire au CEA, est revenu sur l’histoire du développement des processus numériques depuis 1948, sur les outils de simulation et de calcul tels que les méthodes Monte-Carlo d’analyse neutronique. L’augmentation de la puissance numérique permet de progresser dans la finesse des calculs.

Bernard Fontana, Chief Executive Officer d’AREVA NP a insisté sur la nécessité d’améliorer le coût d’exploitation de 30% aux Etats-Unis d’ici 2020, pour éviter la fermeture de centrales face à la concurrence du gaz de schiste.

Est-ce raisonnable de compter sur les technologies numériques pour réduire autant le coût du nucléaire ? Le besoin de production d’une énergie décarbonée à faible coût est plus pressant que jamais, et les enjeux sont de taille. Face à la situation critique dans laquelle elle se trouve, il faut que l’industrie fasse preuve d’un peu plus d’imagination.

La notion de technologie de rupture, une innovation qui porte sur un produit ou un service et qui finit par remplacer une technologie dominante sur un marché, a été introduite par Clayton M. Christensen dans son livre « Le dilemme de l’innovateur : quand les nouvelles technologies font disparaître les grandes entreprises« , publié en 1997. Ce livre décrit comment les industries établies, des gros paquebots très focalisés sur les besoins de leurs parties prenantes (clients, actionnaires, employés…), arrivent très rarement à changer de cap.

Par opposition aux technologies de rupture, les technologies de continuité ou d’amélioration continue procèdent par améliorations et incréments graduels successifs des performances de la technologie actuelle. Investir dans le numérique pour améliorer des processus dans la technologie des réacteurs à eau pressurisée, comme la numérisation de documents ou la gestion du cycle de vie des installations, tombe dans cette catégorie.

Il y a de solides raisons de penser que changer le combustible nucléaire d’un solide à un liquide à base de sels fondus pourra être une technologie de rupture. Nous savons que :

  • la capacité des sels fondus à confiner chimiquement des produits de fission
  • l’exploitation à pression atmosphérique
  • le fort mécanisme de contre-réaction d’un combustible liquide
  • la stabilité chimique des sels
  • la haute température de fonctionnement
  • le meilleur taux de combustion de la matière fissile
  • les nombreuses possibilités d’architecture et de modularité
  • la capacité de suivi de charge rapide
  • (…etc…)
…sont autant de facteurs qui devraient permettre de baisser le coût en capital et le coût moyen actualisé pour la production d’énergie d’une centrale nucléaire équipée de cette technologie. Le numérique est également un levier puissant dans ce domaine, pour démontrer la faisabilité de nouveaux concepts :
Transients MSFR

1. Modélisation par couplage neutronique / thermo-hydraulique d’effets transitoires dans un réacteur MSFR

Tube SSR v2

2. Simulation ANSYS / Fluent du flux laminaire de convection de sels fondus dans le tube de combustible d’un réacteur à sels stables (diamètre du tube agrandi sur l’image)

Turbulences TU Delft

3. Modélisation de vortex Taylor dans un milieu à sels fondus

Comment réagir face à une technologie de rupture comme la fission liquide ? Christensen suggère que la seule stratégie de survie pour des grandes entreprises dans cette situation est de créer une filiale start-up, indépendante, agile, avec des faibles coûts de structure, qui peut prendre des risques.

En 1958 Framatome était une start-up, qui a rassemblé la propriété intellectuelle des réacteurs à eau pressurisée de Westinghouse (désormais en faillite) et l’excellence de l’industrie française dans la fabrication de récipients sous pression. Elle a grandi pour devenir l’énorme entreprise multinationale que nous connaissons aujourd’hui sous le nom AREVA.

Nous sommes à 23 jours du premier tour de l’élection présidentielle. Dans le nouveau quinquennat, la France a tous les atouts pour renouer avec cet esprit de start-up et utiliser les leviers du numérique pour engager une innovation de rupture dans le nucléaire. Lire la suite

Qui travaille sur le coût ?

À cheval sur la rivière Aare dans le canton d’Argovie, l’Institut Paul Scherrer (PSI) est le plus grand institut de recherche Suisse.

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Dans la division de recherche sur l’énergie et la sûreté nucléaire de ce centre d’excellence national, 220 personnes travaillent sur :

  • la sécurité, la gestion des déchets et le démantèlement
  • l’éducation
  • les nouvelles technologies, l’innovation et les concepts avancés.

La Suisse a rejoint en 2015 le projet sur les réacteurs à sels fondus du Forum international Génération IV (GIF), et PSI est devenu un partenaire actif dans le programme européen de recherche SAMOFAR, focalisé sur les avantages de sécurité intrinsèques du réacteur nucléaire rapide à sels fondus (MSFR – Molten Salt Fast Reactor).

C’est donc tout naturellement que PSI a été choisi pour héberger, le 24 janvier 2017, un atelier sur l’avancement des travaux du GIF sur les réacteurs à sels fondus.

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Une centaine de participants de 18 pays ont assisté aux présentations faites par des contributeurs venus de Chine, des États-Unis, d’Australie, de Russie, de France, de Suisse et de l’Union européenne.

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Voici une synthèse de quelques points clés de l’atelier :

  • Avec la signature d’un protocole d’accord, les États-Unis ont rejoint le projet réacteurs à sels fondus du forum génération IV le 5 janvier 2017.
  • La Chine a terminé la conception détaillée d’un réacteur de 10MW avec combustible solide, refroidi aux sels fondus. La conception détaillée d’un réacteur avec combustible liquide est en cours.
  • En Chine une équipe de 600 personnes travaille à temps plein sur le programme TMSR, avec en plus 200 étudiants des cycles supérieurs.
  • L’étude d’une version prototype du réacteur MSFR a permis de faire une proposition pour une version « petit réacteur modulaire » de cette technologie.

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  • La commission de réglementation nucléaire des États-Unis (NRC) a publié fin 2016 des documents sur leur feuille de route pour les « réacteurs non eau légère ». Elle va travailler dans les 5 ans à venir sur les réacteurs à sels fondus pour être capable de fournir des permis d’exploitation aux entreprises qui développent cette technologie.
    • ML16356A670 NRC Vision and Strategy: Safely Achieving Effective and Efficient Non-Light Water Reactor Mission Readiness
    • ML16294A181 NRC Non-Light Water Reactor (Non-LWR) Vision and Strategy – Staff Report: Near-Term Implementation Action Plans – Volume 1 – Executive Information
    • ML16334A495 NRC Non-Light Water Reactor (Non-LWR) Vision and Strategy – Staff Report: Near-Term Implementation Action Plans – Volume 2 – Detailed Information
  • Terrestrial Energy USA a informé la NRC de son intention de leur soumettre une demande de permis d’exploitation d’ici octobre 2019 au plus tard.
  • Une nouvelle entreprise start-up, Kairos Power, a été créée en Californie pour commercialiser une technologie de réacteurs à combustible solide, refroidi par sels fondus.
  • Du 2 au 4 juillet 2017 le programme SAMOFAR organisera un atelier sur le campus de l’École polytechnique de Milan à Como en Italie, dans le cadre de son Work Package No.6 (éducation).

Une question a été posée suite à la présentation de Jérôme Serp, ingénieur au CEA et administrateur du projet pour le GIF :

« Dans le projet génération IV sur les réacteurs à sels fondus, qui travaille sur le coût ? »

Visiblement, cette question avait l’air de gêner un peu les membres du projet. Il fut répondu que dans le cadre du GIF il y a des travaux sur la méthodologie de chiffrage des réacteurs, mais que personne ne travaille sur les coûts des différentes solutions de réacteurs à sels fondus. Cette situation est à contraster avec les différentes entreprises start-up qui elles travaillent sur la technique ET les coûts.

Pourtant, dans les huit objectifs du forum génération IV, deux sont axés sur la compétitivité économique :

« Économique-1 : Les systèmes d’énergie nucléaire de génération IV auront un avantage clair en coût de cycle de vie par rapport aux autres sources d’énergie. »

« Économique-2 : Les systèmes d’énergie nucléaire de génération IV auront un niveau de risque financier comparable aux autres projets énergétiques. »

La recherche est un processus qui transforme l’argent en idées, et le développement est un processus qui transforme les idées en argent.

R+D v3

Dans un réacteur nucléaire, si la fission des atomes produit insuffisamment de neutrons, la réaction en chaîne s’arrête. Dans un processus de recherche et développement, c’est la quantité d’Euros dans le système qui compte. Pour faire plus de recherche, il est essentiel de montrer aux développeurs que les idées générées permettront de lancer sur le marché une technologie qui aura des chances d’être compétitive. Pour atteindre la « masse critique » de la R&D, il faut chiffrer.

Nous savons que les avantages intrinsèques de sécurité des réacteurs à sels fondus peuvent générer de grands avantages dans le coût de capital pour fabriquer une centrale, et dans le coût de l’énergie produite. Mais combien ? Dans le projet réacteurs à sels fondus du forum international génération IV, c’est le moment de mettre l’économique avant la neutronique.

UK flag  Cet article est disponible en anglais ici.