Fission nucléaire

La technique nucléaire est encore relativement récente: les premières centrales nucléaires ont été connectées au réseau électrique il y a une soixantaine d’années. Depuis, la technique de l’énergie nucléaire a considérablement évolué. Les spécialistes parlent de différentes générations de centrales nucléaires.

Energie nucléaire pour le monde d'après-demain

Beaucoup des nouvelles centrales nucléaires ou de celles actuellement en construction sont de troisième génération (1.2.4). Elles fonctionnent avec des réacteurs modernes encore plus sûrs que ceux des installations exploitées aujourd’hui. Dans de nombreux pays, elles vont au cours des années à venir remplacer les centrales les plus vieilles et renforcer le parc existant. Ce sont surtout les nations asiatiques, où les besoins en énergie augmentent fortement, qui – pour des raisons de protection de l’environnement – misent elles aussi sur l’énergie nucléaire pour leur approvisionnement en électricité futur. Pour en savoir plus sur ce thème, cliquez ici. 1.1.4

Cependant, dès aujourd’hui, scientifiques et chercheurs travaillent sur les centrales nucléaires de la quatrième génération, pour le monde d’après‑demain. Associées aux énergies renouvelables, ces centrales de conception entièrement nouvelle constituent la clé pour garantir les conditions d’existence de l’humanité au cours de la deuxième moitié de notre siècle.

Génération IV: de nouvelles méthodes pour la fission nucléaire

Si l’on considère toutes les sources d’énergie actuellement disponibles, il ressort qu’un approvisionnement en électricité comprenant l’énergie nucléaire est plus respectueux de l’environnement et du climat que n’importe quel autre; c’est vrai aujourd’hui et ce le sera encore demain. Les bilans écologiques élaborés par les scientifiques le montrent également. Pour en savoir plus sur le bilan écologique de l’énergie nucléaire, cliquez ici. (1.4.3)

De nombreux pays industriels, dont la Suisse, se sont donc, à l’initiative des Etats-Unis, regroupés dans le «Generation IV International Forum» (GIF) (voir aussi colonne en marge à droite). L’objectif de ce forum est de développer, pour la période postérieure à 2030/40, des réacteurs et des combustibles nucléaires entièrement nouveaux qui

• offrent comme la génération trois un très haut niveau de sécurité et de rentabilité,
• diminuent radicalement la consommation d’uranium,
• réduisent considérablement la quantité et la durée de vie des déchets radioactifs,
• rendent encore plus difficile l’utilisation abusive de la technique nucléaire pacifique pour la fabrication d’armes nucléaires.

Parmi plus de 130 propositions venant du monde entier, les spécialistes du GIF ont sélectionné six systèmes de réacteurs innovants ayant le potentiel nécessaire pour atteindre ces objectifs:

• Réacteur rapide refroidi au gaz
  Caractéristiques: utilisation de l’hélium comme agent de refroidissement, température de fonctionnement 850 °C, choix entre différents combustibles, possibilités d’unités de 200 à 1200 mégawatts pour la production d’électricité.
  Avantages: grande efficience, forte réduction des déchets, taux élevé de rendement des combustibles.
• Réacteur à très haute température
  Caractéristiques: utilisation de l’hélium comme agent de refroidissement, température de fonctionnement plus de 900 °C, combustible: billes d’uranium et de thorium avec enveloppe en graphite servant de modérateur, unités de 250 mégawatts prévues pour la production d’électricité.
  Avantages: rendement élevé (50%), idéal pour la production de chaleur industrielle, possibilité de production d’hydrogène, très grande sécurité passive (fusion du cœur impossible).
• Réacteur supercritique à eau légère
  Caractéristiques: utilisation d’eau à l’état supercritique (plus de 374 °C et 22,1 MPa) comme agent de refroidissement, température de fonctionnement 500 à 600 °C, unités de 1500 mégawatts prévues pour la production d’électricité.
  Avantages: rendement de 45% environ, forte rentabilité, possibilité de spectre de neutrons thermiques ou rapides.
• Réacteur rapide refroidi au sodium
  Caractéristiques: utilisation de sodium comme agent de refroidissement. Combustible métallique ou MOX. Possibilité de petites unités de 50 à 1500 mégawatts pour la production d’électricité.
  Avantages: grande efficience thermique, brûlage des actinides, production efficiente de matériaux de fission.
• Réacteur rapide refroidi au plomb
  Caractéristiques: utilisation du plomb comme agent de refroidissement, possibilité de très petites unités transportables, durée de vie du cœur du réacteur 15 à 30 ans. Possibilité de petites unités modulaires de 50 à 1200 mégawatts pour la production d’électricité.
  Avantages: extrêmement résistant à la prolifération, grande sécurité passive, possibilité de remplacer le noyau du réacteur au lieu de le recharger en combustible.
• Réacteur à sels liquides Caractéristiques: utilisation de fluorures liquides d’uranium et de plutonium comme agents de refroidissement. Pression réduite. Unités de 1000 mégawatts prévues pour la production d’électricité.
  Avantages: réduction des déchets, production de combustible simplifiée, résistance élevée à la prolifération grâce à l’inventaire réduit de matériaux de fission.

Toutefois, des travaux de recherche sont encore nécessaires avant que ces six systèmes de réacteurs innovants de la quatrième génération puissent être utilisés. Parmi eux, c’est le réacteur à très haute température qui est le plus avancé. Une centrale nucléaire de ce type est actuellement en construction en Chine depuis 2012. Le HTR-PM devrait être mis en service prochainement. Vous trouverez des détails en langue anglaise sur ces réacteurs du futur ici.

A l’heure actuelle, 14 partenaires participent au GIF: Argentine, Australie, Brésil, Chine, France, Grande‑Bretagne, Japon, Canada, Russie, Suisse, Afrique du Sud, Corée du Sud, Etats-Unis et Communauté européenne de l’énergie atomique Euratom.

La Suisse contribue au système SFR (réacteur rapide refroidi au sodium) avec le projet FAST, porté par le PSI. Ce projet s’intéresse à la simulation informatique des principaux systèmes du GIF, avec des spectres de neutrons rapides combinés à des cycles de combustible ouverts et fermés. L’objectif est de comparer les différents systèmes et de les optimiser du point de vue de la sécurité, de la gestion des ressources et de la réduction des déchets. Ces activités sont intégrées dans différents programmes d’EURATOM et de l’AIEA. La Suisse est également représentée, avec le PSI, dans les systèmes VHTR (réacteur à très haute température) et GFR (réacteur rapide refroidi au gaz).

Générer plus de combustible qu'on n'en consomme

Sur les six systèmes de réacteurs sélectionnés par le GIF, cinq sont en mesure de convertir l’uranium 238, difficilement fissible, en plutonium plus facile à désintégrer. Les spécialistes parlent ici de «surrégénération». De tels réacteurs de surrégénération, ou «surrégénérateurs rapides», ont le gros avantage de produire de l’énergie tout en générant davantage de combustible nucléaire utilisable qu’ils n’en consomment. Le plutonium excédentaire «surrégénéré» pendant l’exploitation peut ensuite être utilisé comme combustible nucléaire dans les centrales traditionnelles pour la production d’électricité. La teneur en énergie de l’uranium naturel, composé à plus de 99% d’uranium 238, peut ainsi être beaucoup mieux mise à profit qu’aujourd’hui.

Ainsi, avec la consommation actuelle, les réserves d’uranium de la Terre suffiront,  encore durant des dizaines de milliers d’années. De plus, les surrégénérateurs rapides produisent moins de déchets radioactifs que les centrales nucléaires traditionnelles. Ces déchets ont en outre pour avantage une dissipation comparativement rapide de leur radioactivité. Les surrégénérateurs rapides existent depuis des décennies. Ces réacteurs ont montré leur faisabilité industrielle, mais ne peuvent pas encore faire l’objet d’une utilisation commerciale. A ce jour, seule la Russie compte des installations de ce type en exploitation: il s’agit des tranches Beloïarsk 3 (BN-600, 560 MW) et Beloïarsk 4 (BN-800, 820 MW).

De l'hydrogène issu de l'énergie nucléaire

Parmi les systèmes de réacteurs soutenus par le GIF, le réacteur à très haute température est particulièrement intéressant. Il génère non seulement de l’électricité, mais aussi une très grande quantité de chaleur utilisable pour la production thermochimique d’hydrogène.

L’hydrogène en lui-même n’est pas une source d’énergie; il doit d’abord être produit à partir de l’eau et du gaz naturel en consommant énormément d’énergie, par exemple avec la chaleur industrielle du réacteur à très haute température. Avantage: la combustion de l’hydrogène – par exemple pour faire fonctionner des moteurs automobiles ou un chauffage domestique – ne dégage pas de CO₂, mais uniquement de l’eau.

L’hydrogène recèle un potentiel important pour une production d’énergie future car – à la différence de l’électricité – il peut être stocké. Un réacteur à très haute température de la taille de la centrale nucléaire de Leibstadt pourrait, en plus de la production d’électricité, livrer en un an une quantité d’hydrogène suffisante pour permettre à plus d’un million de voitures à piles à combustible de parcourir environ 15’000 kilomètres chacune. Aujourd’hui, on ne sait pas encore si ces systèmes à hydrogène vont s’imposer, ou si ce seront plutôt des automobiles à batteries directement rechargées en électricité.

Plate-forme de recherche de l'UE

Dans ce contexte, l’UE a lancé le 21 septembre 2007 la «Sustainable Nuclear Energy Technology Platform» (voir colonne en marge à droite). La SNETP, à travers un programme de recherche et de développement à long terme, vise à favoriser le développement durable de l’énergie nucléaire ainsi que le maintien et le renforcement de la position de leader de l’Europe dans le domaine des sciences de l’ingénieur et des sciences nucléaires. La SNETP souhaite de plus contribuer à une économie durable et respectueuse de l’environnement et soutient donc aussi la production de combustibles synthétiques et d’hydrogène à partir de sources ne conduisant pas à l’émission de gaz à effet de serre.Les thèmes de recherche proposés dans ce but comprennent: