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, pour la première fois, d’inclure une présentation sur cette technologie dans une 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.

 

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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

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.

Découverte à Oak Ridge

« Faire progresser les réacteurs à sels fondus – les prochaines étapes » était le thème d’un atelier au Laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL) les 4 & 5 octobre 2016, basé sur le très réussi « 50e anniversaire de la mise en service du MSRE » tenu l’an dernier.

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Soutenu par le portail pour accélérer l’innovation dans le nucléaire (GAIN) du Département de l’Énergie des États-Unis, cet atelier a été l’occasion pour les acteurs mondiaux de la recherche et du développement des réacteurs à sels fondus de se réunir. Le site internet de l’atelier regroupe l’agenda, les présentations, des photos

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… et aussi une découverte inattendue.

Dans les semaines précédant l’atelier, ORNL a trouvé par chance dans un congélateur de bibliothèque d’archives, un film de 20 minutes sur le réacteur expérimental à sels fondus :

Ce film documentaire de 1969 a été projeté pendant l’atelier puis publié par ORNL sur YouTube. Il revient en détail sur le succès de ce programme de réacteur expérimental, sur ses phases de conception et de construction et sur son fonctionnement avec sûreté et fiabilité entre 1965 et 1969.

 

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.