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 »

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.

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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.

Valeur vs Coût

La vie est pleine d’arbitrages. Que le choix soit majeur comme où habiter, ou mineur comme l’achat d’un produit au supermarché, nous pesons constamment la valeur de nos décisions contre leur coût.

La France a décidé dans les années 1970 de produire une grande partie de son électricité à partir d’énergie nucléaire. En 2015, 58 réacteurs à eau pressurisée dits de « génération 2 » ont produit 76,3% de son électricité. Même si un réacteur nucléaire est une machine très chère, l’énergie nucléaire a beaucoup de valeur – elle permet de produire de vastes quantités d’énergie en sécurité, de façon fiable 24h/24h, sans envoyer dans l’atmosphère du CO2 et d’autres polluants.

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Pour mesurer subjectivement la valeur de l’énergie nucléaire, la quantité d’énergie produite est la première considération, mais les technologies qui permettent de gagner en sécurité, fiabilité, propreté et durabilité apportent aussi de la valeur.

Imaginons un graphique de valeur contre coût.

  • En rouge la partie avec faible valeur et coût élevé
  • En vert la partie avec valeur élevée et coût faible.

Plaçons la technologie actuelle des réacteurs nucléaires de génération 2 au milieu de ce graphique :

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A partir de cet état des lieux, différentes options sont disponibles.

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EPR

On peut par exemple aller vers la technologie de génération 3 (ou 3+) comme le réacteur EPR actuellement en construction à Flamanville.

Cette technologie a de nombreux avantages en termes de sécurité par rapport à la génération 2, avec l’ajout de nouveaux systèmes. Un réacteur EPR est également plus puissant, avec une capacité de 1 650 MWe. La technologie a donc plus de valeur que la génération 2.

Mais la génération 3 est bien plus chère que la génération 2. Le planning du projet ayant été repoussé plusieurs fois, l’estimation pour le coût du réacteur Flamanville 3 est actuellement 10,5 milliards d’euros (soit 6,36 €/W).

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ASTRID

Sinon, il y a l’option de la génération 4, où la France développe le projet ASTRID, qui a pour objectif de relancer la filière des réacteurs à neutrons rapides au sodium, suite aux réacteurs expérimentaux Rapsodie, Phénix et Superphénix. ASTRID est réputé être aussi sûr que les réacteurs de génération 3+, mais apporte de la valeur en fermant le cycle nucléaire pour apporter une vraie réponse au problème de la durabilité.

Dans les mots de monsieur Nicolas Devictor, chef du programme ASTRID au CEA :

« En France, toutes les parties sont d’accord pour dire qu’un réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium sera toujours plus cher qu’un réacteur à eau pressurisée. Toujours. »

« Il y a un service par contre qui n’est pas le même. Un réacteur à neutrons rapides – c’est un service sur le cycle, sur la gestion des matières. C’est de l’indépendance énergétique en partie aussi dont on parle, parce qu’en France on a des stocks d’uranium importants. On a un stock de Plutonium significatif aussi. »

Donc ASTRID, comme la génération 3, c’est plus de valeur pour plus de coût.

Une autre option est disponible – celle des petits réacteurs modulaires.

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Petits réacteurs modulaires

Assemblés en usine et livrés à la centrale par chemin de fer ou camion, leur petite taille permet une réduction importante du coût, et un financement plus facile.

Mais avec une puissance typiquement entre 50MWe et 300MWe, il faut construire plusieurs réacteurs pour produire la même quantité d’électricité qu’un réacteur de génération 2. Donc cette technologie présente moins de coût pour moins de valeur.

Toutes ces options technologiques utilisent un combustible à l’état solide. Plaçons les sur notre graphique de valeur vs coût :

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Toutes les technologies ont un seuil de coût minimum. Quand on choisit le concept de la technologie, on choisit aussi son seuil de coût. Le seuil de la fission solide empêche l’industrie nucléaire actuelle de quitter la zone jaune.

La vraie innovation, ce serait une technologie qui nous rapproche du smiley vert – plus de valeur pour moins de coût.

Et la fission liquide peut faire cela. Les technologies en développement de réacteurs à sels fondus ont un coût réduit à cause de leur sécurité intrinsèque.

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De loin le plus grand avantage vient de la chimie des sels fondus. Quand les produits de fission sont créés dans un liquide ionique, ils sont enfermés dans ce liquide qui est chimiquement très stable. Les liaisons fortes entre les atomes les empêchent de sortir du liquide, donc le premier niveau de confinement est assuré par la chimie. On agit directement pour réduire le danger du système de réacteur.

Les sels qu’on utilise sont liquides jusqu’à des températures très élevées, donc le système fonctionne à pression atmosphérique. Tous les problèmes de plomberie qui sont associés avec une opération à pression élevée sont éliminés.

Avec un combustible liquide on peut appliquer plein d’astuces dans la conception de l’architecture du réacteur, qui aident aussi à simplifier la conception et réduire le coût.

En construisant les réacteurs en usine, un peu comme pour les avions, on peut s’inscrire dans la démarche des petits réacteurs modulaires, ce qui apporte aussi un gain de coût. On n’assemble pas les airbus dans les aéroports.

Et dans la production d’énergie thermique, plus c’est chaud, plus c’est utile. Les réacteurs à sels fondus fonctionnent à une température beaucoup plus élevée que le nucléaire actuel – environ 700°C au lieu de 350°C, et ça ouvre la porte à d’autres marchés que l’électricité, comme la chaleur industrielle, la production de carburants de synthèse, ou le dessalement de l’eau de mer.

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Avec une technologie comme le réacteur intégral à sels fondus  (IMSR) de Terrestrial Energy, on peut aller vers un coût très faible pour une technologie nucléaire intrinsèquement sûre.

Ces petits réacteurs modulaires auront des tailles entre 30MWe et 300MWe. Leur commercialisation est attendue dans les années 2020.

SSR.jpgLe réacteur à sels stables (SSR) de Moltex Energy permettrait, avec un coût similaire en Euros par Watt, de remplacer les REP de génération 2 et 3.

D’une puissance minimum de 300MWe, l’ajout de modules de 150MWe porte sa puissance maximum à 1200MWe.

MSFR 2.jpgEt les travaux du CNRS et de l’équipe européenne du projet SAMOFAR sur le réacteur MSFR nous montrent le chemin vers une filière à combustibles liquides tout aussi durable que la filière des réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium, mais avec une fraction du coût.

Le seuil technologique de la fission liquide est un nouveau paradigme pour l’énergie nucléaire.

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Avant d’aller sur Mars, avant de faire la fusion nucléaire ou les voitures autonomes, faisons déjà ce changement fondamental pour remplacer les combustibles nucléaires solides par des liquides, pour faire la fission nucléaire correctement.

Une fission nucléaire intrinsèquement sûre, fiable, propre et durable, ramenée à un coût qui permettra de concurrencer les carburants fossiles, peut permettre à l’humanité de simultanément augmenter sa prospérité et réduire son impact sur l’environnement.

Plus de valeur et moins de coût. C’est ça le vrai progrès.

Pourquoi le nom de ce blog a changé

Depuis mai 2012, le blog « Energie du Thorium » a permis aux francophones de suivre la croissance du mouvement mondial en faveur du thorium et des réacteurs à sels fondus.

Après 75 articles, Energie du Thorium devient « Fission Liquide ». Changer le nom d’un blog n’est pas une mince affaire – alors pourquoi le faire ?

En soi, promouvoir l’utilisation du thorium en tant que source d’énergie est tout à fait louable. Il est 3 à 4 fois plus abondant dans la croûte terrestre que l’uranium, il est bon marché, son cycle de combustible produit moins de déchets problématiques comme le plutonium. Dans le futur, les humains auront besoin du thorium.

Mais sans une machine pour extraire son énergie, le thorium est inutile. Comme pour tout système d’énergie, la machine est plus importante que son combustible. Ce n’est pas la découverte du charbon qui a été à l’origine de la révolution industrielle. C’est l’invention par James Watt d’une machine à vapeur qui fournissait de l’énergie moins chère que les autres sources d’énergie disponibles à l’époque, comme la force des bêtes ou les moulins à eau et à vent.

De la même manière, la première ère nucléaire n’a pas commencé en 1789 avec la découverte de l’uranium. Elle a commencé à Chicago en décembre 1942 avec la première réaction en chaîne artificielle.

Primaire de Los Alamos

L’humanité était alors en plein milieu de la plus grande guerre de son histoire, et le projet Manhattan a été rapidement mis en place pour fabriquer des armes nucléaires. En 1943 les nouveaux arrivants au Laboratoire national de Los Alamos ont été présentés avec un court précis technique, le « Los Alamos Primer » qui illustrait avec des croquis comment fabriquer une bombe à fission et les différents concepts en étude.

Ces concepts ont un point en commun – ils utilisent tous de la matière fissile solide. Fabriquer cette matière était la priorité numéro un du projet Manhattan. Les dépenses du projet au 1er octobre 1945 étaient de 1,845 milliard de dollars, dont plus de 90 % furent consacrés à la construction des usines et à la production des matières fissiles tandis que le développement et la production des armes ne représenta que 10 % du total.

 

Avec la fin de la guerre en 1945, une nouvelle question se posait : comment utiliser les connaissances acquises et les technologies développées à travers cette dépense militaire énorme, pour le bénéfice de l’humanité ?

Mauvaise question.

Certains experts du projet Manhattan comme Eugene Wigner et Alvin Weinberg ont protesté qu’une machine pour produire une énergie nucléaire fiable, sûre, propre, durable et bon marché devait davantage profiter des techniques de la chimie, lesquelles nécessitent l’utilisation de combustibles liquides. Protestations futiles –  l’inertie des humains et des capitaux a entrainé l’humanité sur le chemin de la fission solide pour sa production d’énergie nucléaire.

En 2016 tous les systèmes d’énergie nucléaire en service utilisent des combustibles solides. Dans le conflit économique qui oppose fossile et fissile, le climat est pris en otage et l’énergie fissile se fait lentement massacrer. Pour réaliser tout son potentiel dans la lutte contre le réchauffement climatique et dans la relance de la prospérité humaine, la fission nucléaire doit être moins chère que le charbon.

Toutes les technologies ont un seuil de coût minimum, qui émerge après d’importants efforts d’ingénierie. Un changement technologique fondamental est la seule manière de baisser ce seuil.

Le seuil de coût de la fission solide a augmenté en raison de changements réglementaires, certains légitimes, d’autres dus à l’hystérie, mais tous sont encouragés par l’industrie des combustibles fossiles. Ce seuil semble se stabiliser un peu au delà de celui des énergies fossiles.

Pour la fission liquide, le seuil de coût bénéficie de plusieurs avantages importants. Premier sur la liste est la possibilité d’un nouveau dialogue avec les autorités de sûreté concernant les produits de fission : les isotopes dangereux sont confinés chimiquement dans le combustible sous forme de sels liquides, dès qu’ils sont produits, ce qui élimine un danger qui fait peur à tout le monde (à un degré plus ou moins important) – la fuite de gaz radioactifs dans l’atmosphère. Le résultat de plusieurs estimations crédibles est que le seuil de coût pourrait être moins cher que les combustibles fossiles. C’est une très, très grosse affaire.

La fission liquide, c’est rompre avec le passé militaire de la technologie nucléaire, c’est travailler sur l’élimination intrinsèque des dangers, c’est mettre le marché avant la technologie et les études économiques avant les études neutroniques, c’est repositionner la fission à l’interface de la physique et de la chimie, c’est la possibilité de résoudre des décennies de conflit entre les groupes pro- et anti-nucléaire.

C’est répondre à la bonne question, qui aurait dû être posée en 1945 : pour la prospérité des humains et la protection de l’environnement, quelle est la meilleure technologie possible pour exploiter l’énergie de la fission nucléaire ?

La fission liquide est une famille de technologies qui ont des combustibles nucléaires à l’état liquide. Certaines branches de cette famille utilisent le thorium comme source d’énergie et d’autres utilisent l’uranium. Alors même que le meilleur réacteur à sels fondus imaginable serait alimenté par du thorium, il y a de nombreuses voies pour arriver à ce but ultime. Le thorium n’est pas une panacée – les bénéfices d’un combustible liquide sont bien plus importants que les bénéfices du thorium versus l’uranium.

Quand l’humanité aura maitrisé la fission liquide, le thorium sera la cerise sur le gâteau. Il faut cuire le gâteau avant de poser la cerise !

Cerise

Voilà pourquoi il est devenu nécessaire de changer le nom de ce blog. Si vous êtes venu pour le thorium, restez pour le réacteur. L’aventure continue sur le domaine fissionliquide.fr et sur Facebook et Twitter.

Machines à vapeur

Attention ! Question piège :

Qui a inventé la machine à vapeur ?

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La réponse ?

Tous ont apporté leur pierre à l’édifice. La nature du développement technologique est ainsi – chaque inventeur se tient sur les épaules des géants qui l’ont précédé.

L’histoire du développement humain est étroitement liée au coût de l’énergie. Les humains chasseurs-cueilleurs de la préhistoire ont besoin d’une grande superficie de terrain pour survivre. Une population plus importante devient possible avec l’agriculture, puis en remplaçant l’énergie mécanique des hommes par celle des animaux de trait. Mais à la fin du moyen âge, l’Europe est confrontée à la catastrophe écologique de la déforestation. On commence alors à exploiter l’énergie thermique de la houille, mais les réserves disponibles près de la surface sont rapidement épuisées.

Thomas Newcomen combine les idées de Denis Papin et Thomas Savery pour inventer en 1712 la première machine à vapeur utilisée commercialement, pour extraire l’eau des mines et permettre une extraction en profondeur.

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Avec cette machine thermique les humains sont enfin capables de transformer l’énergie thermique en énergie mécanique. C’est le début de la révolution industrielle.

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Le coût de l’énergie issue d’une machine thermique est composé :

  • du coût du capital de la machine
  • du coût du carburant pour la source de chaleur
  • des coûts de fonctionnement

La machine de Newcomen est capable de convertir en énergie mécanique seulement 1,3% de l’énergie dans le charbon qui l’alimente. Avec ce faible rendement, son coût du carburant est très important, mais il faut attendre 58 ans et l’invention de James Watt pour faire mieux.

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La genie de Watt est de réaliser que la machine de Newcomen gâche presque trois quarts de l’énergie de la vapeur en chauffant le piston et la chambre. Avec une chambre de condensation séparée, le rendement est plus que doublé. Le coût de la machine étant similaire, l’énergie produite coûte bien moins cher.

Watt s’associe alors avec Matthew Boulton. Les revenus de leur entreprise « Boulton & Watt » sont avant tout générés par les économies en charbon réalisées par les propriétaries des machines.

Pensez-vous que James Watt a inventé la machine à vapeur ?

Rendement des machines à vapeur

Source : « Dynamics of Technological Change« , L.A. Girifalco, p.484

L’histoire de la révolution industrielle est une course pour atteindre des rendements toujours plus importants des machines thermiques. C’est vrai que Watt y a largement contribué, mais cette démocratisation du coût de l’énergie qui rend possible la vie moderne est le travail de multiples inventeurs et ingénieurs.

La machine de Newcomen, utilisée uniquement dans les mines, a rapidement été remplacée par celle de Watt. Avec un coût de l’énergie toujours en baisse grâce aux améliorations en continu chez Boulton & Watt, leur machine remplace également l’énergie éolienne des moulins à vent et l’énergie hydraulique des roues à aubes, devenant de plus en plus utile.

Il est étonnant dans le graphique ci-dessus de remarquer qu’il faut 200 ans pour passer d’un rendement de 1,3% au rendement de 20% de la première turbine de Charles Parsons. On ne peut jamais sous-estimer la difficulté que présente le changement technologique – souvent les technologies nécessaires à la fabrication d’une machine rentable progressent moins vite que les théories et les idées des inventeurs.

Aujourd’hui les turbines dans les centrales électriques à cycle combiné gaz permettent d’atteindre des rendements supérieurs à 61%, mais les temps modernes ont vu un autre progrès important dans les machines à vapeur, du côté de la source de chaleur.

EPR Flamanville

Une grande machine à vapeur actuellement en construction à Flamanville

Les combustibles nucléaires à base d’uranium et thorium ont une densité énergétique environ 1 million de fois supérieure aux combustibles fossiles, mais les machines pour extraire cette énergie sont bien plus complexes que les chaudières des anciennes machines à vapeur. Le nucléaire a donc une logique économique différente, où le coût du carburant est minime et le capital investi dans la machine représente la plupart du coût de l’énergie.

En 2016 l’humanité est confrontée au réchauffement climatique. Malgré le progrès des énergies renouvelables et du nucléaire à bas carbone, les énergies fossiles progressent plus vite parce qu’elles sont moins chères. L’histoire de la machine à vapeur nous montre que la prospérité humaine progresse quand le coût de l’énergie diminue. Le défi majeur du 21ème siècle est d’atteindre une prospérité décente pour chaque humain et simultanément d’arrêter le réchauffement climatique et réduire l’impact des humains sur l’environnement. La conférence COP21 a échoué à mettre en place une taxe carbone parce qu’il est politiquement impossible de rendre l’énergie plus chère, même si elle est sale. L’énergie propre est un problème d’ingénierie – elle doit être moins chère que le charbon.

Le développement commercial de la fission nucléaire a atteint un niveau très similaire à celui de la machine à vapeur il y a 250 ans.

  • Après des premières expériences, un seul principe a été déployé commercialement
  • Cette technologie a atteint ses limites
  • La technologie est sur le marché depuis plus de 50 ans
  • L’utilisation du carburant est faible
  • Le coût de l’énergie produite n’est pas très competitif avec les alternatives sur le marché
  • Quelques centaines de machines ont été produites
  • Les machines ont une seule utilisation commerciale
  • La civilisation humaine est face à une crise environnementale
  • Le rythme de déploiement des machines est insuffisant pour résoudre cette crise environnementale.
  • Le potentiel théorique reste immense
  • Un système amélioré a été inventé, avec le potentiel de faire une rupture dans le coût de l’énergie
  • Ce nouveau système est en cours de développement
  • L’industrie établie a dénoncé la faisabilité du nouveau système [1]

Tout comme Boulton & Watt, les innovateurs actuels dans l’énergie nucléaire ont réalisé l’importance primordiale de réduire le coût de cette énergie. Mais au lieu de viser une meilleure utilisation du carburant, les principes économiques de l’énergie nucléaire nécessitent de réduire le coût de la machine.

Alors, pourquoi les systèmes d’énergie nucléaires actuels sont-ils chers?

Quand on fissionne le noyau d’un atome, deux nouveaux atomes sont générés qui s’appellent des produits de fission. Ils sont très radioactifs et hasardeux pour les humains. Ces atomes se désintègrent sur des périodes plus ou moins longues jusqu’au moment où ils deviennent des isotopes stables qui ne sont plus hasardeux.

Dans les réacteurs à eau pressurisée utilisés aujourd’hui, le combustible est un solide. Les produits de fission restent enfermés dans cette matière solide mais peuvent s’échapper si le combustible chauffe et fond. Comme certains produits sont des gaz, un confinement du réacteur est nécessaire pour éviter leur dispersion dans l’atmosphère en cas d’accident. Ce confinement est compliqué et cher parce que le système fonctionne avec une pression très élevée. Ces fragilités nécessitent l’utilisation de nombreux systèmes de sécurité compliqués et onéreux pour garantir un niveau de sûreté acceptable.

Le coût d’un système d’énergie nucléaire est une fonction du profil de sécurité intrinsèque du système de réacteur.

Dans un réacteur à sels fondus le combustible est un liquide. Le mélange de sels est choisi pour rester liquide sur une grande plage de températures, et pour pouvoir dissoudre la matière fissile et la plupart des produits de fission sous la forme de sels qui sont chimiquement très stables. La dilatation du liquide selon la température assure un fort coefficient de contre-réaction qui donne une stabilité dynamique de fonctionnement, à pression atmosphérique. Avec une sécurité intrinsèque assurée par cette conception chimique, la « fission liquide » permet d’envisager un système de réacteur plus simple et bien moins cher.

Une course internationale a commencé pour lancer cette technologie sur le marché. La magie de l’entrepreneuriat, quand un architecte technique avec une idée rencontre un investisseur avec des fonds, est à l’oeuvre pour concevoir puis construire ces machines, avec des millions de dollars engagés. La rupture technologique de la fission liquide n’est plus une question de « si ». C’est une question de « qui » et de « quand ».

Qui seront les Boulton & Watt du 21ème siècle ?

Partenariats

L’énergie nucléaire suivra la même courbe de développement que la machine à vapeur, mais avec un décalage d’environ 250 ans. Avec un coût compétitif et une capacité de production importante, elle contribuera activement à lutter contre le réchauffement climatique.

Pour les systèmes à fission liquide en développement aujourd’hui, les principaux éléments de création de valeur qui permettront de réduire le coût de l’énergie seront :

  • La sécurité intrinsèque d’un combustible liquide chimiquement stable
  • Une conception élégante et simplifiée, avec une architecture astucieuse du système complet
  • Une température de fonctionnement plus élevée
  • Une approche modulaire pour la fabrication des bâtiments et composants, l’assemblage et la mise en exploitation

Pour le futur, il reste un potentiel important de réduction de coût avec :

  • Des systèmes surgénérateurs
  • Des machines thermiques plus petites qui exploitent mieux les hautes températures de fonctionnement
  • Un cycle de combustible au thorium, ou qui incinère les déchets des réacteurs actuels
  • Des améliorations des matériaux pour prolonger la vie de certains composants
  • Un processus rationalisé pour l’attribution de licences d’exploitation

… sans mentionner les inventions à venir.

Et comme la machine à vapeur, les systèmes d’énergie nucléaire moins chers et plus compacts trouveront beaucoup plus d’utilisations :

  • Fourniture de chaleur pour les processus industriels
  • Production de carburants liquides de synthèse à partir d’eau et de dioxide de carbone
  • Dessalement de l’eau de mer
  • Alimentation de collectivités hors réseau
  • Propulsion marine

Ce futur est possible. Il est même probable car il est nécessaire. Avec l’esprit d’entreprenariat qui animait Boulton & Watt nous pouvons fabriquer des machines à vapeur modernes et moins chères qui seront un progrès pour l’humanité et pour la planète.

[1] Quand John Smeaton a vu la première machine de Watt, il a signalé à la société des ingénieurs que « ni les outils ni les ouvriers existent qui peuvent fabriquer une machine aussi complexe avec suffisamment de précision ».

UK flag Cet article a été publié en anglais sur le site de la « Alvin Weinberg Foundation »

Le thorium, moins cher que le charbon ?

Pour un politicien ou fonctionnaire qui doit faire des choix difficiles avec un budget serré, quand il s’agit d’établir la politique énergétique d’un pays, les priorités sont :

1. Fiabilité
2. Coût
3. Environnement

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Un rapport de novembre 2012 du World Resources Institute a établi que 1199 centrales à charbon sont actuellement en construction ou en projet dans le monde.

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Cliquez pour la carte interactive

Le charbon est la source d’énergie la plus polluante. Si cette filière se développe aussi vite, c’est parce que le coût par kilowatt-heure n’est pas cher. Les lois du marché le garantissent.

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L’industrie nucléaire mondiale s’est déployée dans les années 1950/60 avec une technologie maitrisée, mais fragile – le réacteur à eau pressurisée (REP). Aux débuts de la première ère nucléaire, le fait que ce type de machine a un rendement inférieur à 1% n’était pas si important – la fission d’un seul atome d’uranium émet environ un million de fois plus d’énergie que la combustion d’hydrocarbures. 1 million x 1% = toujours 10 000 fois mieux !

Mais la technologie nucléaire est complexe, et l’investissement capital pour construire une centrale avec un REP est important. Le retour d’expérience suite aux incidents de sureté avec cette technologie a rendu cet investissement de plus en plus onéreux, jusqu’au point où aujourd’hui elle n’est pas très compétitive comparée aux centrales à combustibles fossiles.

Pour se déployer massivement, une nouvelle technologie d’énergie propre doit être moins chère que le charbon.

Alors prenons la technologie de la fission nucléaire, qui produit aujourd’hui 13% de l’électricité mondiale, et changeons UNE chose. Passons d’un combustible solide à un combustible liquide.

Quel liquide utiliser alors ? Et bien après un peu de recherche, il se trouve que les sels de fluorure fondus offrent les meilleures caractéristiques pour une utilisation dans un réacteur nucléaire homogène.

Et il se trouve aussi que le cycle de combustible au thorium est le mieux adapté pour un réacteur à sels fondus.

Wow ! C’est quand-même radicalement différent ! Combien ça coûte ?

L’état de développement des réacteurs à sels fondus ne permet pas aujourd’hui de donner une réponse précise à cette question. Mais pour Daniel Heuer, Directeur de recherche, Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble), dans un entretien récent avec ParisTech Review :

“Nous avons l’espoir que le réacteur que nous concevons serait moins cher qu’un réacteur à eau pressurisée, ce qui pourrait se révéler décisif au moment des arbitrages politiques et industriels. À titre personnel, je pense d’ailleurs que c’est la seule solution pour passer à la génération IV : avoir un réacteur qui soit moins cher qu’un réacteur à eau pressurisée. Cela reste à vérifier, et c’est l’une des raisons pour lesquelles il est important de continuer à travailler.”

Cette technologie peut-elle être non seulement moins chère qu’un REP mais aussi moins chère que le charbon ? Si aujourd’hui nous ne pouvons pas donner un prix précis pour une centrale avec réacteur à sels fondus, quels sont les facteurs qui la rendraient moins chère ?

Regardons d’abord le coût du réacteur :

FONCTIONNEMENT A FAIBLE PRESSION

 

Dans un réacteur à eau pressurisée (REP) comme un EPR, l’eau de refroidissement à 300°C est maintenue en état liquide par une pression de 150 atmosphères. En cas d’accident avec fuite d’eau, elle se transforme en vapeur. Le bâtiment réacteur est conçu pour éviter la dispersion de cette vapeur radioactive dans l’environnement. Dans un EPR, il dispose d’une double enveloppe de confinement d’1,30m d’épaisseur chacune. Un réacteur à sels fondus fonctionne à faible pression. Son bâtiment réacteur sera plus petit, moins épais et beaucoup moins cher à construire.

Cuve

Image : AREVA

La cuve d’un REP et les tuyaux de circulation sont en acier épais, pour résister à la pression. Pour la cuve d’un EPR les murs ont une épaisseur de 20 à 30 cm, et il pèse 420 tonnes. Une seule entreprise est capable de fabriquer ce genre de composant – le “Japan Steel Works” (Japon). A part le coût exorbitant, la faible capacité de production de ce genre de composant est aujourd’hui un frein au développement de l’industrie nucléaire. Dans un réacteur à sels fondus une épaisseur de quelques centimètres est suffisante.

UNE STABILITE THERMIQUE INTRINSEQUE

Barres de commande

Dans un REP la puissance de réaction est contrôlée par des barres de commande. Celles-ci absorbent des neutrons, ralentissant la réaction en chaîne. Quand on monte une barre, moins de neutrons sont absorbés et la réaction accélère; quand on descend une barre, la puissance de réaction diminue.
Dans un réacteur à sels fondus, la puissance est contrôlée par l’expansion du combustible liquide. Au dessus du cœur, il y a une sorte de “trop-plein”, physiquement écarté de la région où a lieu la réaction en chaîne.

stabilité thermique

 Quand le réacteur chauffe, le liquide se dilate et fait remonter le niveau dans le trop-plein. Il y a donc moins de matière fissile dans le cœur et la réaction est ralentie. Quand la température descend, le liquide se contracte et le niveau dans le trop-plein descend. Avec plus de matière fissile dans le cœur, la réaction en chaîne reprend. Une température de fonctionnement stable est atteinte rapidement. Ce mécanisme, qui simplifie considérablement la conception du réacteur, est possible uniquement avec un combustible liquide.

EVACUATION PASSIVE DE LA CHALEUR RESIDUELLE DE DESINTEGRATION

Générateurs

Images : AREVA

Quand on arrête un réacteur nucléaire, les produits de fission continuent de se désintégrer et à produire de la chaleur. C’est ce phénomène qui a provoqué les accidents majeurs de fusion de cœur à Three Mile Island et Fukushima. Dans un REP la circulation de l’eau de refroidissement est “garantie” par des générateurs diesel de secours. Dans un réacteur à sels fondus, l’état liquide du combustible permet de le vidanger dans des réservoirs où l’évacuation de chaleur se fait passivement. La forme de ces réservoirs étant différente de celle du cœur, l’atteinte d’une masse critique et donc le déclenchement d’une réaction en chaîne sont impossibles.

UNE MATIERE STABLE ET INERTE

Auxiliaires

Images : AREVA

Les sels fondus sont des matières stables et inertes; ils ne réagissent pas avec l’air ou l’eau. Le fluorure de lithium par exemple est le deuxième composé chimique le plus stable connu (après l’oxyde de béryllium). Une fusion du cœur est impossible – le combustible est déjà liquide. Même en cas d’accident grave avec un réacteur à sels fondus avec fuite de combustible liquide radioactif, les hasards et les risques pour l’environnement sont beaucoup moins importants qu’avec un REP. Un meilleur niveau de sécurité intrinsèque réduira le coût du réacteur – par exemple les systèmes d’absorption d’hydrogène d’un réacteur EPR ne seraient plus nécessaires.

RECHARGEMENT ET RETRAITEMENT EN LIGNE

Rechargement

Avec un combustible liquide, il n’y a pas besoin d’arrêter le réacteur tous les 18 mois pour rechargement, déchargement et repositionnement du combustible, ce qui grève le rendement de la centrale. Les machines qui font la manutention des assemblages de crayons de combustible ne seraient plus nécessaires.

Retraitement_en_ligne
Le retraitement des déchets est facilité par l’état liquide du combustible. Un retraitement chimique sur site sépare les produits de fission du mélange de sels, combustible et actinides. Ces derniers sont renvoyés dans le réacteur pour fissionner et produire de l’énergie, ce qui augmente le rendement et réduit la production de déchets.

Retraitement

Pour les combustibles solides, il est nécessaire de transporter tout le combustible irradié dans une usine dédiée où des processus complexes et chers les transforment, pour retraitement chimique … en liquides !

UN MEILLEUR RENDEMENT THERMIQUE

Rendements

Image : K Sorensen

Avec une température de fonctionnement de 300°C, un REP est capable de transformer 33% de sa chaleur en électricité. Les sels fondus sont liquides sur une plage de 1000°C, et avec une température de fonctionnement autour de 700°C, on peut atteindre un rendement proche de 50%.

Cycle Brayton fermé

Image : R Hargraves

Un réacteur à sels fondus peut être couplé à un système de conversion de puissance Brayton à cycle fermé, à hélium ou CO2. Ces systèmes sont beaucoup moins grands qu’une turbine à vapeur, ce qui permettrait également de réduire la taille du hall du groupe turbo-alternateur.

REFROIDISSEMENT A L’AIR

Tour

Pour des réacteurs à sels fondus de puissance moyenne, le meilleur rendement serait un facteur qui permettrait d’envisager un refroidissement à l’air du cycle de conversion de puissance, évitant la contrainte d’une installation près d’une source d’eau.

FAIBLE TAILLE

La capacité thermique des sels fondus est supérieure à celle de l’eau dans un REP ou du sodium dans un Réacteur à Neutrons Rapides (RNR). Les géométries du cœur et des boucles de transfert de chaleur peuvent être plus compactes, réduisant les coûts de matières pour leur fabrication.

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Il serait possible de fabriquer des réacteurs de puissance moyenne en usine et de les transporter par camion pour installation dans une centrale. L’effet volume serait un facteur important pour réduire les coûts. Avec un nombre plus important de réacteurs de puissance moyenne, les coûts de distribution d’électricité seraient réduits.

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Cela fait déjà 8 raisons de penser qu’un réacteur à sels fondus serait moins cher à concevoir et à construire qu’un REP. Pour ceux qui auraient encore des doutes, regardez cette vidéo AREVA sur EPR en vous demandant combien ça coûte. Regardons maintenant les différences au niveau du cycle de combustible, qui influencent le coût de l’énergie :

FABRICATION DU COMBUSTIBLE SOLIDE ELIMINEE

Fabrication Combustible

Pour fabriquer le combustible solide d’un REP, l’oxyde d’uranium en poudre est comprimé en pastilles cylindriques qui sont cuites à 1700°C pour les rendre compactes et solides. On fabrique avec précision une gaine de zirconium pour entourer les pastilles de combustible. On fait un tri manuel des pastilles selon leur contenu en uranium 235 fissile pour optimiser leur position dans la gaine et donc dans le réacteur. On insère les pastilles dans la gaine pour former un crayon de combustible, qui est rempli d’hélium et fermé par un bouchon, avec une étanchéité parfaite. Ces crayons sont regroupés dans un assemblage fabriqué, avec précision, de zirconium et d’acier inoxydable.

En regardant cette vidéo AREVA, on comprend bien pourquoi la fabrication d’un combustible solide coûte aussi cher. Tous ces processus sont éliminés avec un réacteur à combustible liquide.

LE THORIUM EST ABONDANT ET PAS CHER

Sphere Thorium

Image : R Hargraves

Une tonne de thorium suffit pour alimenter un réacteur à sels fondus qui produit 1000MW d’électricité, pendant un an. Le coût d’une tonne de thorium est de l’ordre de 250 000€, soit 0,00003€ / kWh – négligeable !

La concentration moyenne du thorium dans la croûte terrestre est d’environ 12 parties par million. Les réserves connues sont suffisantes pour alimenter les besoins énergétiques de la planète pendant plusieurs millénaires. On peut vraiment parler d’énergie renouvelable.

ENRICHISSEMENT D’URANIUM REDUIT

Enrichissement

Image : World Nuclear Association

Un réacteur à sels fondus a besoin de matière fissile pour démarrer, le thorium étant un combustible fertile qui a besoin de l’impact d’un neutron pour se convertir en uranium 233. Cette matière fissile peut être de l’uranium enrichi. L’enrichissement de l’uranium par centrifugeuse est un processus qui coûte cher, mais qui est nécessaire pour le démarrage initial uniquement.

MOINS DE DECHETS

REP vs RSF

Image : R Hargraves

 

Un réacteur à sels fondus produit moins d’un pour cent d’isotopes transuraniens radioactifs, par rapport à un REP. C’est la production de chaleur de ces isotopes qui est le principal inducteur de coût pour les sites de stockage des déchets radioactifs en couche géologique profonde.

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Comme nous avons noté au début, dans le monde politique le coût d’une source d’énergie est bien plus important que les considérations de l’environnement. Pour démontrer que l’énergie du thorium sera moins chère que le charbon, il faut lancer un avant projet de réacteur à sels fondus, associé à une étude économique objective et impartiale. En France, le CEA serait bien placé pour réaliser de telles études, mais il faudrait qu’il soit ainsi missionné par l’Etat. Si vous soutenez cette démarche, envoyez le lien pour cet article (http://wp.me/p2oTUJ-4M) à votre élu. C’est aussi votre facture d’énergie qui est en jeu…

Facture EDF

Article inspiré par le livre de Robert Hargraves : Thorium energy cheaper than coal

TECTC