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Les défis du réacteur nucléaire du futur

THOMAS BLOSSEVILLE tblosseville@industrie-technologies.com

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La filière nucléaire développe la prochaine génération de réacteurs qui succédera à l'EPR. L'enjeu est de taille : optimiser les ressources en uranium et recycler les combustibles usés. Il faudra d'abord réaliser des innovations de rupture. Mise au point sur les obstacles à lever et les voies technologiques explorées en recherche.

Nous sommes en 2050 et les réacteurs nucléaires recyclent en boucle leurs déchets pour s'autoalimenter en combustible. Utopique ? Ce projet est pourtant réel. Le CEA prévoit le démarrage en 2020 d'un réacteur de quatrième génération, la technologie appelée à remplacer vers 2040 les EPR (réacteur pressurisé européen) aujourd'hui en construction. En recyclant ses déchets, ce réacteur du futur est censé résoudre les deux sempiternels casse-tête du monde de l'atome : le stockage des matières radioactives et la pénurie annoncée de combustible. Industrie et Technologies a poussé la porte des laboratoires qui développent le nucléaire du futur. Notre constat : un saut technologique sera indispensable. Tour d'horizon des chantiers pour bâtir le réacteur de demain.

1 Des neutrons rapides à dompter

Le constat est sans appel. De la mine d'uranium à la centrale nucléaire, « le rendement massique des réacteurs actuels n'est que de 0,5 % », calcule Christophe Béhar, directeur de l'énergie nucléaire au CEA. La faute au fluide caloporteur du réacteur, l'eau. En ralentissant les neutrons de la réaction nucléaire, elle limite drastiquement l'étendue des éléments fissibles, essentiellement à l'uranium 235.

Pour étendre l'utilisation des ressources, notamment à l'uranium 238, qui compose plus de 95 % du combustible, le réacteur du futur devra maîtriser les neutrons rapides. Comprenez des neutrons un million de fois plus énergétiques qu'aujourd'hui. Pour y parvenir, il faudra trouver un nouveau caloporteur, capable de refroidir le réacteur sans freiner les neutrons. Quatre candidats sont en lice : le sodium, le plomb, l'hélium gazeux et les sels fondus. En France, le sodium possède une nette longueur d'avance. C'est la seule technologie suffisamment mature pour que le CEA dispose de son prototype en 2020, échéance fixée par une loi de 2006.

Ses propriétés d'échange thermique sont meilleures que l'hélium gazeux ou le plomb, sa densité voisine de l'eau, l'actuel caloporteur. Mais l'avance du sodium tient surtout à des raisons historiques. Il bénéficie des retours d'expérience des réacteurs expérimentaux, désormais à l'arrêt, Phenix et Superphenix.

2La sûreté du réacteur à garantir

Malgré sa relative maturité, la voie sodium n'est pas exempte de verrous technologiques. D'abord parce que le sodium est très réactif avec l'eau. Or, l'énergie produite par la réaction nucléaire est généralement transmise, via des échangeurs de chaleur, du caloporteur (ici le sodium) jusqu'à un circuit d'eau alimentant une turbine à vapeur. « Pour éviter toute réaction incontrôlable entre le sodium et l'eau, il faudra renforcer la tuyauterie ou remplacer l'eau par un gaz, comme l'hélium ou l'azote », prévoit François Gauché, chef du programme Réacteurs de quatrième génération au CEA. Le choix final sera un compromis entre sûreté et rendement énergétique.

Le sodium réagit aussi violemment avec l'air. « Contrairement aux réacteurs actuels, le combustible devra être chargé sous confinement et non à l'air libre », prévient Giovanni Bruna, adjoint à la direction de la sûreté des réacteurs à l'Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire (IRSN). Problème : quand il est chaud, le sodium est opaque. « Les manipulations auront donc lieu à l'aveugle. Il faudra s'assurer que le combustible est placé au bon endroit », ajoute-t-il. Et développer les automatismes adéquats.

Dans le coeur du réacteur, chaque détail compte. Le combustible sera enfermé dans une enceinte, le sodium rentrant par le pied et sortant par le sommet. « En cas d'obstruction par un corps migrant, l'alimentation en réfrigérant risque d'être interrompue. Le combustible pourrait alors fondre en quelques secondes et le coeur du réacteur en moins d'une minute », poursuit Giovanni Bruna. Une solution serait par exemple de détecter la surchauffe en repérant, par acoustique, la formation des bulles de sodium... À condition d'isoler leur bruit dans une centrale nucléaire en fonctionnement. Pour sonder les pièces par ultrasons, dès la conception du réacteur, le nombre de parois devra être réduit, car elles créent des échos. Un « détail » parmi d'autres sur la longue route du réacteur de demain.

« Une réaction nucléaire délivre une énergie considérable, deux cent millions de fois supérieure à une réaction chimique ordinaire », rappelle Alex Mueller directeur scientifique adjoint de l'Institut de physique nucléaire et des particules du CNRS. Dans ces conditions, le choix des matériaux est crucial pour la sûreté. D'autant qu'avec les neutrons rapides, ils subiront un bombardement plus intense qu'aujourd'hui. Notamment les gaines, ces tubes qui contiennent les pastilles de combustible. L'alliage de zirconium qui, pour l'instant, les compose résistera-t-il aux nouvelles sollicitations neutroniques ? Le risque serait que les gaz émis lors de la fission augmentent la pression jusqu'à briser les gaines.

Plus généralement, « nous ajusterons la composition des assemblages combustibles pour éviter, en cas de fuite ou d'ébullition du sodium, des sauts de réactivité, qui pourraient mener à la fusion du réacteur », assure François Gauché, du CEA.

Pour comprendre le comportement exact des matériaux et des combustibles, le CEA devrait disposer en 2014 du nouveau réacteur expérimental Jules Horowitz. Situé sur son site de Cadarache (Bouches-du-Rhône), il prendra le relais du réacteur Osiris du CEA-Saclay (Essonne) datant des années 1960. Le réacteur RJH reconstituera les conditions extrêmes des réacteurs actuels (à eau pressurisée) mais aussi futurs, quels que soient leurs fluide caloporteurs.

3Le recyclage à mettre au point

C'est « le » point noir de la filière nucléaire et un axe de recherche majeur. Pour réduire la radioactivité des combustibles usés, l'idée est de les recycler. Pour l'instant, le plutonium l'est en partie... mais une seule fois. Pour le réutiliser en boucle et exploiter d'autres déchets, comme les actinides mineurs (neptunium, curium, américium...), la technologie à neutrons rapides est indispensable. Elle permettrait, par réaction nucléaire, de transformer ces éléments hautement radiotoxiques en d'autres moins dangereux, comme le rubidium ou le césium. L'objectif est de réduire la durée de dangerosité de ces déchets du million d'années à seulement... trois siècles. Selon les spécialistes, une telle réaction est maîtrisée en laboratoire. Mais, pour passer à l'échelle industrielle, de multiples questions restent en suspens. Les appareillages existent-ils ? Jusqu'où automatiser le procédé de recyclage ? Quel serait son impact sur le prix du kilowattheure électrique ?

À l'échelle industrielle, le recyclage, en particulier des actinides mineurs, pose surtout un risque de fusion du réacteur. « Cet accident surviendrait si la réaction produit beaucoup plus d'énergie qu'elle n'en consomme. Pour l'éviter, la proportion d'actinides mineurs réintroduits dans le combustible ne devra pas dépasser 2 à 3 % », préconise Alex Mueller, du CNRS.

Pour atteindre une proportion de 50 %, les scientifiques envisagent, en parallèle, un autre procédé de recyclage. Un réacteur à neutrons rapides dédié au traitement des déchets, pas à la production d'électricité. Son dimensionnement l'empêcherait d'entretenir, à lui seul, la réaction nucléaire. Il serait assisté d'un accélérateur de particules, qui lui fournirait le complément de neutrons nécessaire.

Le projet européen Eurotrans prévoit pour 2020 un prototype de cette technologie. Un modèle réduit vient d'ailleurs d'être inauguré par le CEA, le CNRS et le Centre belge d'études nucléaires. Il permettra de tester le couplage entre un réacteur et un accélérateur de particules. Pour passer à l'échelle industrielle, il faudra toutefois assurer la stabilité de l'accélérateur. Son système de régulation devra éviter toute interruption du faisceau de neutrons. Dans la communauté scientifique, le débat sur la pertinence d'une telle technologie n'est pas encore tranché. Le compte à rebours est pourtant enclenché : les réacteurs actuels accumulent déjà des déchets à recycler.

PROTOTYPE

Le CEA prévoit pour 2020 le démarrage d'un réacteur expérimental de nouvelle génération.

« Une exigence de sûreté accrue »

GIOVANNI BRUNA ADJOINT À LA DIRECTION DE LA SÛRETÉ DES RÉACTEURS DE L'IRSN

Quatre objectifs ont été donnés aux réacteurs du futur : des économies sur les combustibles ; la possibilité de produire de la chaleur industrielle et de l'hydrogène ; des coûts compétitifs ; une exigence de sûreté accrue par rapport aux réacteurs actuels et aux futurs EPR. Aucune technologie ne répondra aux quatre points avec la même rigueur. Les réacteurs à neutrons rapides seront les plus économes en combustibles... à condition de garantir leur sûreté. En 1995, le réacteur japonais de Monjou a subi une fuite de sodium, entraînant une réaction exothermique avec l'air. Après quinze ans d'arrêt, ce réacteur à neutrons rapides vient tout juste de redémarrer. Sur le prototype français Superphenix, un corps migrant avait obstrué l'alimentation en sodium, au démarrage donc sans gravité. Mais, en fonctionnement réel, un tel incident pourrait conduire, en une minute, à la fusion du réacteur.

Le stockage des déchets reste incontournable

Gare au mirage écologique. L'éventuel recyclage, aujourd'hui presque inexistant, des combustibles usés, ne résoudra pas l'épineuse question du stockage des matières radioactives. Les combustibles usés ne représentent qu'une infime partie, en volume, des déchets nucléaires. S'ils concentrent l'essentiel de la radioactivité, leur dangerosité ne pourra, après traitement, qu'être diminuée. Pas supprimée. Pour les plus radiotoxiques, la durée de confinement serait réduite du million d'années à quelques siècles. Le stockage s'en trouverait certes facilité, mais resterait indispensable. Il faudra trouver comment confiner ces déchets, en attendant que leur radioactivité baisse, et concevoir la métrologie pour les surveiller.

EMPLOIPénuries d'ingénieurs

Globalement, la filière nucléaire manque d'ingénieurs pour compenser les départs en retraite. Dans les technologies du futur, le risque de pénurie est particulièrement criant. Le CEA s'est ainsi fixé 2020 comme date butoir. Au-delà, il pourrait ne plus disposer d'experts dans les nouvelles générations de réacteurs. « Pour les neutrons rapides, nous disposons de 80 à 100 spécialistes. Mais seule une quinzaine maîtrise vraiment l'ensemble de la technologie », évalue Christophe Béhar, directeur de l'énergie nucléaire du CEA. De quoi susciter des vocations ?

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