Quelles solutions pour un nucléaire durable ?

Cet article se fonde très lar­ge­ment sur les com­mu­ni­ca­tions des confé­ren­ciers invi­tés à la réunion-débat orga­ni­sée le 17 mars 2004 par X‑Environnement, ayant pour thème le nucléaire durable : Franck Car­ré, direc­teur du pro­gramme Sys­tèmes du futur à la Direc­tion de l’éner­gie du CEA, Alexis Nut­tin, maître de confé­rences à l’ENSPG, et Daniel Heuer, char­gé de recherches CNRS au LPSC de Grenoble.
Cela étant dit, l’au­teur assume la res­pon­sa­bi­li­té entière du conte­nu de cet article, en par­ti­cu­lier les erreurs qui pour­raient s’y être glissées.

Récem­ment, dans un col­loque¹ où elle était invi­tée, Domi­nique Voy­net remar­quait qu’en France les débats sur l’éner­gie virent inva­ria­ble­ment à un débat pour ou contre le nucléaire. Ce n’est pas ici la ques­tion, il ne s’a­git pas d’af­fir­mer une pos­ture pro-nucléaire mais de faire un point sur ce qui se fait en termes de recherche et déve­lop­pe­ment sur le nucléaire et de voir quelles sont les pos­si­bi­li­tés qui pour­raient s’ou­vrir avec un » nucléaire du futur « .

La pro­duc­tion d’élec­tri­ci­té par le nucléaire aujourd’­hui se fait essen­tiel­le­ment au moyen de réac­teurs à eau ordi­naire (REP, REB…) qui sont peu éco­nomes en com­bus­tible : ils exploitent moins de 1 % du conte­nu éner­gé­tique de l’u­ra­nium natu­rel. Ain­si, ces réac­teurs ne repré­sentent pas une source d’éner­gie durable. De plus, ils pro­duisent des déchets qui sont mal accep­tés par les popu­la­tions². Mais, il faut le sou­li­gner, ils fonc­tionnent de façon sûre (l’ac­ci­dent de Tcher­no­byl était un acci­dent de l’in­dus­trie sovié­tique, il n’y a eu aucun acci­dent avec fuite vers la bio­sphère de matières radio­ac­tives dans les réac­teurs des pays de l’OCDE) et ils pro­duisent de l’élec­tri­ci­té sans émettre de gaz à effet de serre.

Le Forum Génération IV

Un cadre de réflexion, et de recherche et déve­lop­pe­ment inter­na­tio­nal, le Forum Géné­ra­tion IV, a été créé à l’i­ni­tia­tive des États-Unis en juillet 2001. Il com­prend onze pays : Afrique du Sud, Argen­tine, Bré­sil, Cana­da, Corée du Sud, États-Unis, France, Grande-Bre­tagne, Japon, Suisse, et, enfin, Eur­atom qui a rejoint le forum en 2003. Dans un pre­mier temps, le forum a pro­cé­dé à la défi­ni­tion d’un cahier des charges pour le nucléaire des pro­chaines décen­nies. Puis, il a sélec­tion­né six sys­tèmes qui obéissent, à des titres divers, à ce cahier des charges. Le par­tage du tra­vail s’or­ga­nise main­te­nant entre ces pays, pour déve­lop­per, en col­la­bo­ra­tion, les sys­tèmes rete­nus. Nous allons exa­mi­ner le cahier des charges, puis sur­vo­ler rapi­de­ment les carac­té­ris­tiques des six sys­tèmes rete­nus. Nous ver­rons enfin com­ment ces dif­fé­rents sys­tèmes pour­raient se com­plé­ter et per­mettre une aug­men­ta­tion signi­fi­ca­tive de la contri­bu­tion du nucléaire au bou­quet énergétique.

Le cahier des charges

En conti­nui­té des sys­tèmes actuels, on trouve dans le cahier des charges des pro­grès dans la com­pé­ti­ti­vi­té éco­no­mique et dans la sûre­té des réac­teurs. Il s’a­git d’ob­te­nir des réac­teurs avec les­quels le prix de revient du kWh pro­duit est infé­rieur à celui des cen­trales ther­miques actuelles, à com­bus­tible fos­sile ou nucléaire, et d’a­mé­lio­rer la sécu­ri­té afin que le risque d’ac­ci­dent majeur soit négli­geable, même avec un grand nombre de réac­teurs en fonc­tion­ne­ment dans le monde.

Les sys­tèmes Géné­ra­tion IV impliquent aus­si des rup­tures tech­no­lo­giques avec des avan­cées signi­fi­ca­tives dans la mini­mi­sa­tion des déchets, l’é­co­no­mie des res­sources, la non-pro­li­fé­ra­tion. L’é­co­no­mie des res­sources et la mini­mi­sa­tion des déchets sont obte­nues par la mise en œuvre d’un cycle du com­bus­tible fer­mé, asso­cié au retrai­te­ment du com­bus­tible. Contrai­re­ment à la filière actuelle qui uti­lise l’u­ra­nium 235, pré­sent en très faible quan­ti­té (0,72 %) dans l’u­ra­nium natu­rel, les réac­teurs régé­né­ra­teurs envi­sa­gés sont basés sur la régé­né­ra­tion de la matière fis­sile au fur et à mesure qu’elle est consom­mée, par pro­duc­tion de noyaux fis­siles à par­tir de noyaux fertiles.

En effet, une cap­ture neu­tro­nique sur un noyau fer­tile pro­duit un noyau fis­sile. Seules deux res­sources natu­relles per­mettent cette trans­for­ma­tion, ce sont l’u­ra­nium et le tho­rium. Les étapes de la tran­si­tion du noyau fer­tile (en vert) vers le noyau fis­sile (en rouge) sont, pour cha­cun des cycles :

• le cycle ura­nium-plu­to­nium ²³⁸U + n _ ²³⁹U _ ²³⁹Np (2 jours) _ ²³⁹Pu
• le cycle tho­rium-ura­nium ²³²Th + n _ ²³³Th _ ²³³Pa (27 jours) _ ²³³U

Lorsque la pro­duc­tion de noyaux fis­siles com­pense, sans plus, leur consom­ma­tion, le sys­tème est régé­né­ra­teur. Un sys­tème qui pro­duit un peu plus de matière fis­sile qu’il n’en consomme est sur­gé­né­ra­teur, il pro­duit un excès qui per­met, éven­tuel­le­ment, de déployer un parc. Dans le cycle U‑Pu, la régé­né­ra­tion ne peut être obte­nue qu’a­vec des neu­trons » rapides » (dont l’éner­gie ciné­tique est grande – de l’ordre du MeV). Dans le cycle Th‑U, par contre, on peut obte­nir la régé­né­ra­tion soit avec des neu­trons rapides, soit avec des neu­trons modé­rés³.

Pour obte­nir une éner­gie élec­trique de 1 GW par an, il faut fis­sion­ner 1 tonne de matière. Pour cela, un réac­teur à eau ordi­naire (REP) a besoin de 200 tonnes d’u­ra­nium natu­rel, alors qu’a­vec un sys­tème régé­né­ra­teur, ura­nium ou tho­rium, 1 tonne de noyaux fer­tiles suf­fit. On voit que l’é­co­no­mie de matière est significative !

En ce qui concerne les déchets, il y a, bien sûr, les pro­duits de fis­sion, inévi­tables, ce sont les rési­dus de la réac­tion de fis­sion qui libère de l’éner­gie. Les pro­duits de fis­sion sont sen­si­ble­ment les mêmes, quels que soient le com­bus­tible et le type de réac­teur. Il y a aus­si les acti­nides mineurs (nep­tu­nium, amé­ri­cium, curium) qui résultent des cap­tures para­sites de neu­trons par des noyaux lourds (cap­ture de neu­tron par un noyau fis­sile qui n’a­bou­tit pas à une fis­sion). Les acti­nides mineurs pro­duits dans les réac­teurs à eau ordi­naire sont actuel­le­ment mis aux déchets, ils ne peuvent pas être trans­mu­tés effi­ca­ce­ment dans les REP⁴.

Le plu­to­nium pro­duit dans les REP est trai­té à part ; en France, il est sépa­ré et uti­li­sé dans le MOX mais il ne peut être entiè­re­ment brû­lé dans les REP car dans ces réac­teurs à neu­trons ther­miques, seuls les iso­topes impairs du plu­to­nium sont fis­siles (²³⁹Pu et ²⁴¹Pu).

Dans d’autres pays, comme les États-Unis, il est pré­vu qu’il accom­pagne le com­bus­tible usé pour aller dans les déchets. Par contre, comme on l’a vu, il est un com­bus­tible pour les réac­teurs régé­né­ra­teurs basés sur le cycle U‑Pu, c’est la matière fis­sile pour ces réacteurs.

Le cahier des charges Géné­ra­tion IV pré­voit un recy­clage dans les réac­teurs de toutes les matières du com­bus­tible usé : les matières encore uti­li­sables pour faire de l’éner­gie, les matières fer­tiles pour les trans­for­mer en matière fis­sile, et les acti­nides mineurs ; il s’a­git pour ces der­niers de les remettre en réac­teur pour les inci­né­rer, les brû­ler. Les réac­teurs devront être conçus pour fonc­tion­ner en toute sécu­ri­té avec les acti­nides mineurs dans le combustible.

R(t) = ∑_i r_i  λ_i N_i(t)

r_i = fac­teur de dose (Sv/Bq)

Ain­si, ces réac­teurs trans­forment la res­source natu­relle en éner­gie et brûlent leurs propres déchets (aux pro­duits de fis­sion près). Cette notion de cycle du com­bus­tible fer­mé (ou » inté­gré » d’a­près le terme anglais inte­gra­ted), ce recy­clage de tout le com­bus­tible, est indis­so­ciable de la notion de nucléaire durable.

Pour avoir une idée du gain obte­nu sur les déchets avec les cycles fer­més U‑Pu et Th‑U par rap­port au cycle ouvert des REP, on peut exa­mi­ner l’é­vo­lu­tion tem­po­relle de la radio­toxi­ci­té par inges­tion des déchets issus de dif­fé­rentes filières pour une même quan­ti­té d’éner­gie produite.

On voit que les pro­duits de fis­sion des­cendent très vite, en quelques cen­taines d’an­nées. Les courbes éti­que­tées U/Pu et Th/U repré­sentent les pertes d’ac­ti­nides atten­dues au retrai­te­ment pour les filières dont le cycle du com­bus­tible est fer­mé. On voit que la dif­fé­rence avec les REP est appré­ciable dans les deux cas : on gagne deux ordres de gran­deur ou plus sur toute la durée avec la courbe U/Pu et un ordre de gran­deur sup­plé­men­taire avec le cycle Th/U en neu­trons épi­ther­miques. La radio­toxi­ci­té engen­drée avec la filière tho­rium-ura­nium est plus faible du fait que, par­tant d’un nombre ato­mique plus petit, il faut plus de cap­tures neu­tro­niques pour atteindre des acti­nides de masse plus éle­vée et, on le ver­ra plus loin, parce que l’in­ven­taire de com­bus­tible est envi­ron 10 fois plus petit que dans la filière uranium-plutonium.

Le retrai­te­ment devra offrir une résis­tance suf­fi­sante aux risques de pro­li­fé­ra­tion. C’est une exi­gence amé­ri­caine, elle doit être par­ta­gée au plan mon­dial. Par­mi les options envi­sa­gées il y a le retrai­te­ment du com­bus­tible sur place, au voi­si­nage des réac­teurs (ce qui implique des uni­tés de retrai­te­ments com­pactes) afin de mini­mi­ser le trans­port de matières radio­ac­tives. Il fau­dra éga­le­ment évi­ter d’i­so­ler et de sto­cker des matières fis­siles hau­te­ment concen­trées. Les solu­tions pour le retrai­te­ment devront satis­faire ces conditions.

Un der­nier aspect du cahier des charges est l’ou­ver­ture des sys­tèmes nucléaires à d’autres appli­ca­tions que la pro­duc­tion d’élec­tri­ci­té : pro­duc­tion d’hy­dro­gène, des­sa­le­ment d’eau de mer, uti­li­sa­tion de la chaleur.

Les systèmes retenus

Six sys­tèmes ont été rete­nus par le Forum Géné­ra­tion IV, à par­tir des 120 concepts pré­sen­tés par les par­ti­ci­pants. Ils ne répondent pas tous à l’en­semble des cri­tères du cahier des charges mais cha­cun des sys­tèmes rete­nus a été jugé inté­res­sant à plus d’un titre.

Le réac­teur à gaz, très haute tem­pé­ra­ture (VHTR) : c’est un réac­teur à neu­trons ther­miques, de 600 MWth (méga­watts ther­miques), 300 MWe, qui fonc­tionne à 1 000 °C, qui est cou­plé à un sys­tème de pro­duc­tion d’hy­dro­gène, soit par pro­cé­dé ther­mo­chi­mique, soit par pro­cé­dé d’élec­tro­lyse à haute tem­pé­ra­ture. La pro­duc­tion d’hy­dro­gène est de 200 t/jour, avec un ren­de­ment de 50 %, ce qui est le maxi­mum qui puisse être espé­ré pra­ti­que­ment. Le cycle du com­bus­tible est ouvert, il ne s’a­git pas, donc, de nucléaire durable. Ce sys­tème a été rete­nu pour sa capa­ci­té à pro­duire de l’hy­dro­gène sans émis­sion de gaz à effet de serre. Par ailleurs, les efforts de recherche consen­tis pour ce sys­tème seront réuti­li­sables pour une bonne par­tie pour le sys­tème rapide à gaz.

Le réac­teur rapide à gaz : c’est la ver­sion durable des réac­teurs à gaz à haute tem­pé­ra­ture, il est à neu­trons rapides, à cycle du com­bus­tible fer­mé. La grande inno­va­tion pour ce réac­teur, c’est le com­bus­tible. Il s’a­git d’ex­tra­po­ler les par­ti­cules de com­bus­tible (qui seront mises au point pour le VHTR) à un com­bus­tible à neu­trons rapides, et de pou­voir y appli­quer les pro­cé­dés du cycle asso­ciés. C’est un com­bus­tible fait avec des maté­riaux réfrac­taires, avec la quan­ti­té de matière fis­sile néces­saire pour des neu­trons rapides. Le CEA en est un fervent pro­mo­teur, il y a inté­res­sé les Amé­ri­cains et les Japo­nais. On peut espé­rer avoir le démons­tra­teur de cette filière autour de 2025.

Le réac­teur rapide à sodium : c’est une nou­velle géné­ra­tion de réac­teurs à neu­trons rapides refroi­dis au sodium. Les démons­tra­teurs Phé­nix et Super-phé­nix qui étaient aus­si des réac­teurs rapides refroi­dis au sodium ont per­mis à la France d’ac­qué­rir une expé­rience impor­tante dans ce domaine mais cette nou­velle géné­ra­tion implique des inno­va­tions impor­tantes : une sim­pli­fi­ca­tion du cir­cuit pri­maire pour gagner sur les coûts d’in­ves­tis­se­ment, d’im­por­tantes inno­va­tions asso­ciées au com­bus­tible et au pro­cé­dé du cycle pour avoir un cycle du com­bus­tible fer­mé conforme au cahier des charges, peut-être le rem­pla­ce­ment de la tur­bine à vapeur par une tur­bine à CO₂ super­cri­tique pour limi­ter les risques d’in­te­rac­tion eau-vapeur. Il y a des débats entre deux grandes écoles, l’é­cole fran­çaise et russe avec un réac­teur inté­gré dans lequel l’en­semble du cir­cuit pri­maire est dans une cuve unique, et l’é­cole japo­naise avec un réac­teur à boucles. Le débat porte notam­ment sur les aspects d’ins­pec­tion en ser­vice et de main­te­nance. La France a appro­ché le Japon pour faire, éga­le­ment avec les États-Unis, une démons­tra­tion de trans­mu­ta­tion à grande échelle dans Mon­ju vers 2015.

Le réac­teur rapide au plomb : c’est un réac­teur à neu­trons rapides refroi­di au plomb ou au plomb-bis­muth, à cycle du com­bus­tible fer­mé. Ce sont les Russes, sur­tout, qui ont pous­sé ce sys­tème, pour ren­ta­bi­li­ser le déve­lop­pe­ment de toute une filière de réac­teurs embar­qués, donc de faible puis­sance, refroi­dis au plomb-bis­muth. Ils envi­sagent le déve­lop­pe­ment de réac­teurs de plus forte puis­sance, refroi­dis, cette fois, au plomb, ce qui fait pas­ser la tem­pé­ra­ture de fusion de 110 °C à 327 °C. Le plomb est un sub­sti­tut au sodium qui évite la réac­ti­vi­té chi­mique avec l’eau et avec l’air, mais il ne sim­pli­fie pas l’ins­pec­tion en ser­vice ou la main­te­nance, et pose des pro­blèmes sup­plé­men­taires : des per­for­mances médiocres pour le trans­fert ther­mique, la cor­ro­sion, et les pro­blèmes de masse aus­si puisque le plomb est bien plus lourd que le sodium (voire plus lourd que le combustible).

Le réac­teur à eau super­cri­tique : c’est un réac­teur à eau qui fonc­tionne dans des condi­tions de très forte pres­sion, au-delà de 220 bars, au-delà de 374 °C. L’eau super­cri­tique est sous la forme d’une seule phase avec des den­si­tés de l’ordre de 150 kg par m3. Ce qui est sédui­sant, c’est de pen­ser res­ter dans les tech­no­lo­gies à eau tout en gagnant sur la tem­pé­ra­ture et donc sur le ren­de­ment. C’est une tech­nique dif­fi­cile, en par­ti­cu­lier parce que les varia­tions de den­si­té induisent des varia­tions neu­tro­niques ce qui rend la sta­bi­li­té du réac­teur assez dif­fi­cile à obte­nir. Il y a aus­si des pro­blèmes de cor­ro­sion par­ti­cu­liè­re­ment dif­fi­ciles pour les maté­riaux du cœur. Il faut voir si la den­si­té est assez faible pour per­mettre de pas­ser à des spectres neu­tro­niques rapides, condi­tion pour que cette filière soit durable, c’est-à-dire à cycle du com­bus­tible fermé.

Le réac­teur à sels fon­dus : c’est le seul sys­tème de cette sélec­tion qui ne soit pas basé sur le cycle U/Pu mais sur le cycle Th/U. Il fonc­tionne avec des neu­trons épi­ther­miques, en cycle du com­bus­tible fer­mé. Ce concept repose sur des tra­vaux faits à l’Oak Ridge Natio­nal Labo­ra­to­ry aux États-Unis, dans les années 1965 à 1976. Le cœur du réac­teur est consti­tué d’un bloc de gra­phite, pour ralen­tir les neu­trons, per­cé de canaux dans les­quels cir­cule le sel com­bus­tible (à base de fluo­rure de lithium et de fluo­rure de tho­rium et ura­nium) pour éva­cuer la cha­leur (il est le com­bus­tible et le calo­por­teur). À coté de cette uni­té de pro­duc­tion d’élec­tri­ci­té, il y a une uni­té de retrai­te­ment qui per­met d’ex­traire les pro­duits de fis­sion, qui sont rela­ti­ve­ment plus neu­tro­phages avec des neu­trons épi­ther­miques qu’a­vec des neu­trons rapides ; on pro­fite de ce que le com­bus­tible est sous forme liquide pour faire le retrai­te­ment du com­bus­tible en ligne. Le retrai­te­ment consiste à reti­rer du sel les pro­duits de fis­sion et à remettre tout ce qui reste dans le réac­teur. Le réac­teur est, par ailleurs, doté d’une ali­men­ta­tion conti­nue en tho­rium pour rem­pla­cer la matière fer­tile consommée.

Ces six sys­tèmes ne sont pas mutuel­le­ment exclu­sifs. On peut les voir, au contraire, comme com­plé­men­taires, chaque grand type de sys­tème jouant son rôle dans la pro­duc­tion et la ges­tion de la matière fis­sile. En effet, pour les réac­teurs à neu­trons rapides (RNR), il faut du plu­to­nium, qui n’existe pas dans la nature, qui est pro­duit dans les REP. Pour les réac­teurs à sels fon­dus (RSF), il faut de l’u­ra­nium 233 qui, lui non plus, n’existe pas dans la nature. On peut en pro­duire dans les REP, en fai­sant du MOX tho­rié, ou dans les RNR, trans­for­mant ain­si du plu­to­nium en ura­nium 233. Les quan­ti­tés de matière fis­sile néces­saires à un réac­teur de 1 GWe ne sont pas les mêmes sui­vant le type de réac­teur. L’u­ti­li­sa­tion de neu­trons modé­rés per­met au réac­teur à sels fon­dus de fonc­tion­ner avec un petit inven­taire, 1 à 2 tonnes d’u­ra­nium 233, alors qu’un réac­teur rapide à sodium néces­site envi­ron 12 tonnes de plu­to­nium⁵, un réac­teur rapide à gaz encore plus. Ain­si, la quan­ti­té d’u­ra­nium 233 qu’il fau­drait pro­duire pour démar­rer un RSF est 5 à 10 fois plus faible que la quan­ti­té de plu­to­nium 239 néces­saire au démar­rage d’un RNR. Notons, cepen­dant, qu’ac­tuel­le­ment, les REP pro­duisent du plu­to­nium mais pas d’u­ra­nium 233.

Scénario de déploiement

Si l’on parle d’une source pos­sible d’éner­gie, il faut exa­mi­ner jus­qu’où elle peut aller dans la satis­fac­tion des besoins mon­diaux futurs. Pour que cette source soit consi­dé­rée comme durable, il faut que son impact sur les res­sources natu­relles soit faible. Nous allons exa­mi­ner une simu­la­tion, avec des hypo­thèses de départ et les résul­tats obte­nus. Par­tant d’une hypo­thèse sur les besoins éner­gé­tiques futurs, et attri­buant une contri­bu­tion vrai­sem­blable aux dif­fé­rentes sources d’éner­gie sus­cep­tibles de la satis­faire, on déduit une courbe de crois­sance de la pro­duc­tion d’élec­tri­ci­té nucléaire que l’on juge néces­saire. On exa­mine ensuite quels réac­teurs peuvent être démar­rés, compte tenu de leur matu­ri­té indus­trielle, et de la dis­po­ni­bi­li­té de matière fis­sile. Cette simu­la­tion repose sur beau­coup d’hy­po­thèses que l’on peut dis­cu­ter mais elle a le mérite de don­ner des ordres de gran­deur, une éva­lua­tion de l’im­pact sur la consom­ma­tion d’u­ra­nium natu­rel, et des idées sur la ges­tion du com­bus­tible nucléaire. Elle per­met aus­si de véri­fier dans quelle mesure les déci­sions que l’on pren­drait sont réversibles.

La demande énergétique mondiale

La décom­po­si­tion de la demande d’éner­gie en trois termes fait appa­raître des termes très inté­res­sants pour éva­luer quelle pour­ra être la demande d’éner­gie en 2050 :

E = E/PIB * PIB/N * N

N, c’est la popu­la­tion mon­diale, elle est crois­sante ; PIB/N, c’est le PIB par habi­tant, il est crois­sant ; E/PIB, c’est l’in­ten­si­té éner­gé­tique, elle est décrois­sante grâce à une meilleure effi­ca­ci­té éner­gé­tique liée au pro­grès tech­no­lo­gique, et à des efforts d’é­co­no­mies d’éner­gie qu’il fau­dra bien faire.

L’a­ve­nir est impré­vi­sible, les valeurs que l’on attri­bue à ces dif­fé­rents termes peuvent faire l’ob­jet de dis­cus­sions. Disons, pour fixer les idées, qu’il y aura au moins un dou­ble­ment de E d’i­ci à 2050.

Pour cette simu­la­tion, il faut aus­si esti­mer la répar­ti­tion des sources d’éner­gie afin d’é­va­luer la contri­bu­tion à deman­der au nucléaire. À cause de l’ef­fet de serre, et des réserves limi­tées en éner­gies fos­siles, on peut sup­po­ser que leur contri­bu­tion entre 2000 et 2050 reste stable⁶. On ima­gine dou­bler celle de l’hy­drau­lique, ce qui est peut-être opti­miste. Quant au bois tra­di­tion­nel, on ne peut guère espé­rer faire plus que le main­te­nir à son niveau actuel. Le reste est attri­bué, à part égale, au nucléaire et aux nou­veaux renou­ve­lables. L’un et l’autre devront pro­duire 5,2 Gtep en 2050, soit les deux tiers du fos­sile actuel ! Pour le nucléaire, c’est une aug­men­ta­tion d’un fac­teur 8. Pour les nou­veaux renou­ve­lables, le fac­teur est encore bien plus grand puisque leur contri­bu­tion actuelle est très faible, sans oublier que, pour les renou­ve­lables, le pas­sage de la puis­sance ins­tal­lée (GW) à l’éner­gie pro­duite (GW par an) se fait avec un coef­fi­cient qui varie selon la source d’éner­gie, mais est presque tou­jours très infé­rieur à un.

Une multiplication par 8, en 2050, de la puissance nucléaire installée

Dans cette simu­la­tion, on a sup­po­sé que la pro­duc­tion d’élec­tri­ci­té nucléaire reste à un niveau à peu près constant jus­qu’en 2015, pour croître d’a­bord len­te­ment jus­qu’en 2030, puis plus rapi­de­ment, pour atteindre le fac­teur 8 en 2050. La simu­la­tion est pro­lon­gée jus­qu’en 2100 avec, entre 2050 et 2100, une crois­sance faible, de 1 % par an pour véri­fier la péren­ni­té du scénario.

Les carac­té­ris­tiques qui ont été prises pour les réac­teurs consi­dé­rés dans cet exer­cice sont les suivantes :

• Réac­teurs à eau pressurisée
  Ce sont des REP, puis des EPR dont on sup­pose qu’ils pour­ront démar­rer à par­tir de 2010. Les EPR pro­duisent 130 kg par an d’u­ra­nium 233 (pour démar­rer des réac­teurs à sels fon­dus, RSF) et 130 kg par an de plu­to­nium (pour démar­rer des réac­teurs à neu­trons rapides, RNR).
• Réac­teurs à neu­trons rapides
  Ce sont des RNR à calo­por­teur métal liquide (sodium ou plomb). Ils ont été choi­sis plu­tôt que des réac­teurs à gaz parce qu’ils requièrent moins de matière fis­sile pour démar­rer : 12 tonnes de plu­to­nium. Comme, dans les choix faits, on vou­dra démar­rer des RSF, ces RNR pro­duisent de l’u­ra­nium 233 et sont sous-géné­ra­teurs en plu­to­nium : ils consomment 200 kg par an de plu­to­nium et pro­duisent 500 kg d’u­ra­nium 233 par an. Ces RNR peuvent être démar­rés à par­tir de 2025, la condi­tion de démar­rage étant que l’on dis­pose d’as­sez de plutonium.
• Réac­teurs à sels fondus
  Ce sont des RSF iso­gé­né­ra­teurs à cou­ver­ture tho­rium. Ils démarrent avec un inven­taire ini­tial d’en­vi­ron 2 tonnes. Ils peuvent être démar­rés à par­tir de 2030, la condi­tion de leur démar­rage étant que l’on dis­pose d’as­sez d’u­ra­nium 233.

Hypo­thèse : puis­sance ins­tal­lée mul­ti­pliée par 8 Scé­na­rio REP – RNR – RSF

Dans la simu­la­tion, les RSF sont démar­rés en prio­ri­té : si, à par­tir de 2030, date à laquelle on sup­pose qu’ils seront au point indus­triel­le­ment, il y a assez d’u­ra­nium 233 pour démar­rer un RSF, c’est un RSF, plu­tôt qu’un RNR qui est démar­ré. Ain­si, c’est un scé­na­rio maxi­mal pour les RSF, pour pro­fi­ter plei­ne­ment de leur faible inven­taire et de la radio­toxi­ci­té mini­male de leurs déchets. Dans ce scé­na­rio de déploie­ment de réac­teurs, les EPR sont néces­saires pour pro­duire le plu­to­nium pour les RNR, et l’u­ra­nium 233 pour les RSF. Il suf­fit de renou­ve­ler le parc actuel de REP avec des EPR pour obte­nir la matière fis­sile néces­saire. Les RNR prennent la relève pour pro­duire de l’u­ra­nium 233 tout en consom­mant le plu­to­nium pro­duit par les EPR ; ils ferment le cycle U‑Pu. Tout le plu­to­nium aura été consom­mé en fin de période, et il y aura eu assez d’u­ra­nium 233 pour que les RSF puissent suivre la demande supposée.

Avec cette simu­la­tion, la res­source d’u­ra­nium 235 est pré­ser­vée : on a consom­mé moins de 6 mil­lions de tonnes d’u­ra­nium natu­rel alors que les réserves esti­mées sont de 16 mil­lions de tonnes. Il en res­te­rait pour les géné­ra­tions futures qui en auraient besoin si, ayant arrê­té le nucléaire, elles vou­laient de nou­veau y recou­rir. En effet, en cas de déci­sion d’ar­rê­ter le nucléaire, les cycles U‑Pu et Th‑U pour­raient être fer­més, la matière fis­sile res­tante pour­rait être brû­lée dans les der­niers réac­teurs. Il fau­drait, bien sûr, un arrêt pro­gres­sif, mais on pour­rait s’ar­ran­ger pour consom­mer toute la matière fis­sile qui a été pro­duite. Pour redé­mar­rer du nucléaire, il fau­drait alors avoir recours à la seule res­source natu­relle dis­po­nible, l’u­ra­nium 235. C’est pour­quoi il est essen­tiel de ne pas épui­ser cette ressource.

D’autres simu­la­tions ont été faites. L’une d’elles ne fait inter­ve­nir que des réac­teurs à eau pres­su­ri­sée. La ten­sion sur la res­source ura­nium 235 se fait sen­tir dès 2070, la res­source est épui­sée en 2100, alors que dès 2070 la courbe de pro­duc­tion décroche de celle de la demande, on ne peut pas démar­rer suf­fi­sam­ment d’E­PR faute d’u­ra­nium. De plus, des stocks énormes de plu­to­nium s’ac­cu­mulent. C’est la confir­ma­tion, s’il en était besoin, que le nucléaire actuel n’est pas durable, qu’une bonne ges­tion de la matière fis­sile est la clé d’une pro­duc­tion durable d’éner­gie nucléaire. Une autre simu­la­tion ne fait inter­ve­nir que des EPR et des RNR, elle n’in­clut pas le cycle tho­rium. Dans ce cas, la demande peut être sui­vie, mais au prix de la consom­ma­tion de 14 mil­lions de tonnes d’u­ra­nium natu­rel, et d’une forte accu­mu­la­tion de plu­to­nium dans les réac­teurs. N’ou­blions pas que, dans ce cas, il faut démar­rer autant d’E­PR que l’on vou­dra de RNR de pre­mière génération.

Conclusion

La créa­tion du Forum inter­na­tio­nal Géné­ra­tion IV est impor­tante, elle per­met un par­tage sur le plan mon­dial de la R&D sur le nucléaire. Le déve­lop­pe­ment d’une nou­velle filière nucléaire est coû­teux, de l’ordre de un mil­liard de dol­lars de recherche et déve­lop­pe­ment avant de construire un pre­mier démons­tra­teur. Aucun pays, aujourd’­hui, sauf les États-Unis s’ils le vou­laient vrai­ment, ne pour­rait s’of­frir cela, et encore moins explo­rer plu­sieurs filières. Or, le suc­cès d’au­cune filière n’est garan­ti a prio­ri, ni sa com­pé­ti­ti­vi­té. Le fait de pou­voir tra­vailler de façon mul­ti­la­té­rale sur les 6 filières est un atout consi­dé­rable, un pays n’est pas obli­gé de ne se consa­crer qu’à une des options, il peut, comme la France, s’in­té­res­ser à plu­sieurs sys­tèmes. Il faut que cette coopé­ra­tion inter­na­tio­nale s’or­ga­nise, de façon à ce que les apports de cha­cun soient comp­ta­bi­li­sés afin que, pour ceux de ces sys­tèmes qui iront jus­qu’au stade de la com­mer­cia­li­sa­tion, il y ait un juste retour des béné­fices qui pour­ront en résulter.

Les rup­tures tech­no­lo­giques que la mise au point de ces 6 sys­tèmes implique sont impor­tantes. Elles concernent un grand nombre de domaines. Par­mi eux, la pyro­chi­mie, néces­saire pour le retrai­te­ment du com­bus­tible, la phy­sique des maté­riaux, pour la mise au point de maté­riaux résis­tants à de hautes tem­pé­ra­tures, aux dom­mages par les neu­trons rapides et à la cor­ro­sion, la phy­sique des réac­teurs, la ther­mique, la ther­mo-hydrau­lique, les don­nées nucléaires, les tech­niques de pro­duc­tion d’hy­dro­gène… Ces déve­lop­pe­ments feront inter­ve­nir un grand nombre de labo­ra­toires de recherche qui n’é­taient pas, jus­qu’a­lors, concer­nés par le nucléaire. En contre­par­tie, les efforts consen­tis pour ces recherches auront inévi­ta­ble­ment des retom­bées dans d’autres domaines.

Le Forum Géné­ra­tion IV a dis­tin­gué trois phases dans le déve­lop­pe­ment des sys­tèmes : démons­tra­tion de la fai­sa­bi­li­té, éva­lua­tion des per­for­mances et, pour les sys­tèmes qui auront pas­sé les deux pre­mières phases avec suc­cès, construc­tion d’un démons­tra­teur. Les dates aux­quelles on compte avoir les démons­tra­teurs varient selon la matu­ri­té déjà acquise des sys­tèmes : 2020 pour le réac­teur rapide à sodium et le VHTR, 2025 pour les autres RNR et le réac­teur à eau super­cri­tique, et 2030 pour le réac­teur à sels fondus.

En pers­pec­tive, donc, on a des solu­tions pour un nucléaire propre et durable, qui peut contri­buer de façon signi­fi­ca­tive à la demande éner­gé­tique, en fai­sant inter­ve­nir non seule­ment les RNR avec un cycle fer­mé U‑Pu, mais aus­si les RSF avec un cycle fer­mé Th‑U. Le faible inven­taire des RSF leur donne un avan­tage déci­sif quant aux pos­si­bi­li­tés de déploie­ment, et quant aux stocks de matière fissile.

L’u­ra­nium 233 dont ils ont besoin peut être pro­duit à la fois dans les EPR, et dans les RNR (dans ce cas sous-géné­ra­teurs en plu­to­nium). Dans les solu­tions envi­sa­gées ici, les seuls déchets radio­ac­tifs sont d’une part les pro­duits de fis­sion, dont l’ac­ti­vi­té devient négli­geable en quelque trois cents ans, et d’autre part, de faibles quan­ti­tés d’ac­ti­nides mineurs qui se trouvent entraî­nés avec les pro­duits de fis­sion lors du retrai­te­ment. On estime que ces quan­ti­tés rési­duelles seront infé­rieures ou égales à 0,1 %. Pour pal­lier les risques de pro­li­fé­ra­tion, une agence mon­diale pour­rait être créée, qui véri­fie­rait et contrô­le­rait les flux de matière fis­sile. Une super AIEA, en quelque sorte. Il s’a­git là de négo­cier des accords inter­na­tio­naux ; les obs­tacles éven­tuels résul­te­raient d’un manque de volon­té poli­tique et non de dif­fi­cul­tés techniques.

Le calen­drier, cepen­dant, peut inquié­ter. Ce nucléaire durable et presque sans déchets n’ar­ri­ve­ra-t-il pas un peu tard par rap­port aux besoins, sera-t-il capable de nous aider à com­battre le réchauf­fe­ment cli­ma­tique ? Ne fau­drait-il pas pres­ser les par­ti­ci­pants au Forum Géné­ra­tion IV pour qu’ils aillent plus vite, ne fau­drait-il pas leur don­ner plus de moyens, leur deman­der à quelles condi­tions les délais qu’ils annoncent pour­raient être com­pri­més ? D’autres solu­tions, enfin, per­met­tront-elles de faire la jonc­tion, d’é­vi­ter une crise de l’ap­pro­vi­sion­ne­ment éner­gé­tique, tout en réa­li­sant une dimi­nu­tion des émis­sions de gaz à effet de serre ? Le nucléaire durable est-il un luxe dont l’hu­ma­ni­té pour­ra se passer ?

__________________________________________
1. Col­loque » L’élec­tro-nucléaire et l’é­co­no­mie de mar­ché en Europe et dans le monde » orga­ni­sé par la revue Pas­sages et l’A­DAPES les 7 et 8 avril 2004 au Sénat à Paris.
2. Même si les solu­tions envi­sa­gées pour le sto­ckage des déchets nucléaires en site géo­lo­gique pro­fond ne pré­sentent pas, les experts le disent, de réels dangers.
3. En par­ti­cu­lier avec des neu­trons épi­ther­miques, c’est-à-dire des neu­trons dont l’éner­gie ciné­tique est com­prise entre 1 eV et 1 MeV.
4. On pour­rait les inci­né­rer dans des réac­teurs dédiés, par exemple des ADSR (Acce­le­ra­tor Dri­ven Sub-cri­ti­cal Reac­tor). Un tel sys­tème est à l’é­tude dans le cadre d’un pro­gramme européen.
5. Le com­bus­tible est solide, il faut deux inven­taires, 6 tonnes en cœur et 6 tonnes hors cœur si on sup­pose un retrai­te­ment de cinq ans tous les cinq ans, pour fixer les idées.
6. Il fau­drait, en fait, une dimi­nu­tion radi­cale de la consom­ma­tion d’éner­gies fos­siles pour lut­ter effi­ca­ce­ment contre l’aug­men­ta­tion de l’ef­fet de serre, sauf en cas de suc­cès dans la cap­ture et la séques­tra­tion du CO₂.

---

Articles similaires :

Édi­to­rial L’homme et l’énergie, des amants terribles Du bois-éner­gie pour les pays du Sud L’énergie et l’eau : étude des inter­ac­tions à grande échelle, quelques impli­ca­tions à moyen et long terme Ouver­ture des mar­chés de l’électricité : pour­quoi ? com­ment ? quelles consé­quences pour l’environnement ?