Mix énergétique : le rôle stratégique des SMR et du projet NUWARD™

Le pro­jet Nuward ™ (Nuclear For­ward) consti­tue un chan­ge­ment de para­digme, qui ouvre de nou­velles pers­pec­tives d’utilisation de l’énergie nucléaire. La décen­nie 2020–2030 sera par­ti­cu­liè­re­ment déci­sive pour confor­ter le rôle poten­tiel que peut jouer le nucléaire dans la tran­si­tion éner­gé­tique et la décar­bo­na­tion du mix éner­gé­tique mon­dial, avec en même temps une nou­velle accé­lé­ra­tion des pro­jets de grande puis­sance, mieux maî­tri­sés, et l’arrivée des pre­mières cen­trales SMR « têtes de série », qui devront démon­trer que la pro­messe de SMR com­pé­ti­tifs est accessible.

L’approvisionnement en éner­gie compte par­mi les enjeux poli­tiques, éco­no­miques et éco­lo­giques déci­sifs pour l’avenir de la pla­nète au XXI^e siècle. La satis­fac­tion de la demande éner­gé­tique mon­diale et le res­pect des objec­tifs inter­na­tio­naux de lutte contre le chan­ge­ment cli­ma­tique imposent de déve­lop­per des éner­gies décar­bo­nées, en uti­li­sant à bon escient tous les leviers pos­sibles. Dans cette pers­pec­tive l’énergie nucléaire appa­raît comme un atout clé du mix éner­gé­tique du futur. Aujourd’hui, l’offre élec­tro­nu­cléaire se concentre sur des cen­trales de forte puis­sance (entre 1 000 MWe et 1 700 MWe par uni­té de pro­duc­tion), qui res­te­ront essen­tielles pour satis­faire la plu­part des besoins des grands pays indus­tria­li­sés et émer­gents. Pour­tant, depuis une décen­nie, plu­sieurs pays concep­teurs de réac­teurs sont convain­cus de la néces­si­té de déve­lop­per et d’offrir au mar­ché des cen­trales élec­tro­nu­cléaires pour des puis­sances infé­rieures. C’est ain­si qu’ils ont enga­gé le déve­lop­pe­ment de petits réac­teurs modu­laires inno­vants, typi­que­ment en deçà d’un équi­valent de 300 MWe par réac­teur, appe­lés SMR pour Small Modu­lar Reac­tors. 

Le marché des SMR

Ce nou­veau mar­ché, encore embryon­naire, sera com­plé­men­taire de celui des réac­teurs de puis­sance. Il concer­ne­ra par exemple des pays contraints par la taille de leur réseau élec­trique, leur géo­gra­phie ou leurs capa­ci­tés d’investissement, mais aus­si des sites indus­triels sou­hai­tant décar­bo­ner leur four­ni­ture de cha­leur et d’électricité. En effet, outre la four­ni­ture d’électricité, la plu­part des SMR pro­po­se­ront la cogé­né­ra­tion de cha­leur pour d’autres débou­chés à l’aval : cha­leur indus­trielle, chauf­fage urbain, pro­duc­tion d’eau douce par des­sa­le­ment de l’eau de mer, pro­duc­tion d’hydrogène, cap­ture et valo­ri­sa­tion du CO₂. Pour l’industrie nucléaire, ces déve­lop­pe­ments consti­tuent un che­min de tra­verse par rap­port à l’évolution his­to­rique des réac­teurs, conçus de plus en plus puis­sants pour béné­fi­cier d’économies d’échelle impor­tantes et conte­nir les coûts tout en aug­men­tant la sûre­té. Pour pro­po­ser une offre com­pé­ti­tive avec des puis­sances de 5 à 10 fois infé­rieures, il est indis­pen­sable de trou­ver d’autres leviers, de chan­ger de para­digme. Cela concerne toutes les étapes de déve­lop­pe­ment, de la concep­tion à la mise en ser­vice, en pas­sant par le licen­sing et la com­mer­cia­li­sa­tion. 

Les avantages des SMR

Les pro­jets en cours explorent, sous dif­fé­rentes formes, trois grands leviers com­plé­men­taires. D’abord la sim­pli­ci­té du desi­gn, per­mise notam­ment par la plus faible puis­sance uni­taire des réac­teurs, le recours qua­si géné­ra­li­sé à des sys­tèmes de sûre­té pas­sive ou des choix de concep­tion inno­vants. Ensuite la modu­la­ri­té, auto­ri­sant un maxi­mum de fabri­ca­tion et d’assemblage en ate­lier en amont, avec des pro­cé­dés inno­vants sur la fabri­ca­tion et de très bonnes condi­tions de repro­duc­ti­bi­li­té. Cela per­met alors une réduc­tion des durées et des risques de chan­tier. Enfin la stan­dar­di­sa­tion, per­met­tant de maxi­mi­ser les effets de série, y com­pris sur plu­sieurs pays. Cela sup­pose de pou­voir licen­cier, com­mer­cia­li­ser et ins­tal­ler un même desi­gn dans dif­fé­rents pays. Cette approche SMR n’est pas com­plè­te­ment nou­velle, puisqu’elle a déjà sus­ci­té des études concep­tuelles impor­tantes dans les années 80, en par­ti­cu­lier aux USA. Mais elle est deve­nue plus cré­dible depuis une dizaine d’années, avec les déve­lop­pe­ments concrets des déve­lop­peurs les plus pré­cur­seurs. Simul­ta­né­ment, les dif­fi­cul­tés des chan­tiers têtes de série des nou­veaux modèles de grande taille de géné­ra­tion 3 ont accru l’intérêt pour cher­cher du côté des concepts SMR une « autre voie » pour uti­li­ser l’énergie nucléaire. 

Nuward, le projet de SMR européen

La France, s’appuyant sur la com­plé­men­ta­ri­té et l’expérience des acteurs majeurs de sa filière nucléaire que sont EDF, le CEA, Naval Group, Tech­ni­cA­tome, rejoints récem­ment par Fra­ma­tome et la socié­té belge Trac­te­bel, s’est inter­ro­gée sur la per­ti­nence du déve­lop­pe­ment du seg­ment SMR et a conclu qu’il était néces­saire de lan­cer les études d’un pro­jet de SMR, à par­tir des études explo­ra­toires menées jusqu’alors. Le pro­jet est actuel­le­ment en fin de phase dite d’avant-projet som­maire (APS ou concep­tual desi­gn), qui sera sui­vie dès début 2023 par la phase d’avant-projet détaillé (APD ou basic desi­gn) en vue d’une pre­mière réa­li­sa­tion lan­cée dans la décen­nie (pre­mier béton en 2030). Le desi­gn Nuward est une cen­trale de 340 MWe com­por­tant deux réac­teurs (équi­valent cha­cun de 170 MWe). Le mar­ché visé est en pre­mier celui du rem­pla­ce­ment des cen­trales au char­bon dans cette gamme de puis­sance. 

La tech­no­lo­gie rete­nue pour le réac­teur est celle des REP (réac­teurs à eau pres­su­ri­sée) inté­grés : à la dif­fé­rence des REP de puis­sance à boucles, ici tous les équi­pe­ments sont pla­cés à l’intérieur de la cuve (le cœur et son sys­tème de barres de contrôle, les pompes pri­maires, le pres­su­ri­seur et les géné­ra­teurs de vapeur, qui pro­duisent direc­te­ment la vapeur pour faire fonc­tion­ner la tur­bine). Des inno­va­tions majeures sont intro­duites dans le desi­gn, par exemple des géné­ra­teurs de vapeur à plaques. Fina­le­ment le desi­gn de Nuward est le plus com­pact de sa caté­go­rie et per­met d’être intro­duit dans une enceinte métal­lique de 16 m de haut et 15 m de dia­mètre seule­ment, un atout pour une fabri­ca­tion pous­sée en usine et une réduc­tion des ouvrages de génie civil sur site. En termes de sûre­té nucléaire et de pro­tec­tion phy­sique, le choix d’une archi­tec­ture inté­grée pour le réac­teur, pla­cé dans une enceinte métal­lique, elle-même immer­gée dans une ins­tal­la­tion semi-enter­rée, offre les meilleures garan­ties (éva­cua­tion de la puis­sance rési­duelle en cir­cu­la­tion natu­relle notam­ment). 

Un changement de paradigme autant industriel qu’institutionnel

Le pro­jet Nuward consti­tue une occa­sion pour conso­li­der un unique pro­jet SMR euro­péen, en ras­sem­blant les contri­bu­tions de mul­tiples par­te­naires indus­triels euro­péens avec le savoir-faire de la filière nucléaire fran­çaise. L’Europe pour­rait consti­tuer, avec le Cana­da, le pre­mier mar­ché com­mer­cial pour les SMR, avec plu­sieurs pays inté­res­sés pour un déploie­ment à par­tir de 2035, afin de réduire très for­te­ment leur dépen­dance au char­bon. 

Le modèle éco­no­mique des SMR repose sur trois fac­teurs clés de suc­cès : la sim­pli­fi­ca­tion du desi­gn, une concep­tion-fabri­ca­tion modu­laire et une pro­duc­tion en série, autant de défis à rele­ver pour les concep­teurs. Si une par­tie de l’effort est du côté des concep­teurs, l’autre par­tie est plus liée à l’évolution des « règles du jeu », qui devront per­mettre la répli­ca­tion dans de mul­tiples pays sans rede­si­gn et sans recom­men­cer à chaque fois un pro­ces­sus de licen­sing com­plet. 

L’harmonisation des règles de sûreté

Para­doxa­le­ment, le foi­son­ne­ment de pro­jets de SMR plus ou moins avan­cés de par le monde pour­rait se révé­ler être un frein à un effet de série néces­saire à la via­bi­li­té du modèle éco­no­mique. D’autant plus que les pays déjà pro­duc­teurs ou pou­vant rapi­de­ment accé­der à l’énergie nucléaire ont des régle­men­ta­tions nucléaires non har­mo­ni­sées ou peu har­mo­ni­sées, émises par leurs auto­ri­tés de sûre­té, sou­ve­raines en la matière. Il faut donc sou­li­gner les ini­tia­tives prises au niveau inter­na­tio­nal sous l’égide de l’AIEA (Agence inter­na­tio­nale de l’énergie ato­mique), ou par exemple entre le Cana­da et les USA et plus récem­ment en Europe sous l’égide de l’Union euro­péenne pour encou­ra­ger un par­te­na­riat euro­péen SMR. Ces démarches pour­ront faci­li­ter l’harmonisation des règles du jeu, don­ner tout son sens au concept de SMR et inci­ter des pays nou­veaux entrants dans la pro­duc­tion d’énergie nucléaire à se doter d’une flotte de SMR pour rele­ver le défi de la décar­bo­na­tion de leur mix éner­gé­tique. Pour concré­ti­ser cette recherche d’harmonisation le pro­jet Nuward a pris l’initiative de sou­mettre son desi­gn à trois auto­ri­tés de sûre­té pour une ana­lyse conjointe (France, Fin­lande et Répu­blique tchèque). 

La taxonomie européenne

Enfin, l’investissement ini­tial plus faible pour des SMR, com­pa­ré à celui des cen­trales de puis­sance, ouvre éga­le­ment des pers­pec­tives de finan­ce­ment élar­gies aux inves­tis­seurs pri­vés. Cela impose cepen­dant, dans des sys­tèmes éner­gé­tiques avec une part impor­tante d’énergies inter­mit­tentes, des régu­la­tions adap­tées aux moyens pilo­tables : des reve­nus garan­tis par des prix fixes (par ex. contract for dif­fe­rence), des pro­fils de risques accep­tables, un cadre régle­men­taire stable dans le temps. La recon­nais­sance de l’énergie nucléaire comme tech­no­lo­gie dite durable au sens de la taxo­no­mie euro­péenne (sus­tai­nable finance) est aus­si indis­pen­sable pour faire béné­fi­cier l’Europe du poten­tiel des SMR, tant du côté de la demande, en tant que moyen de pro­duc­tion sans CO₂, que du côté de l’offre avec un pro­jet euro­péen Nuward qui crée­ra des mil­liers d’emplois qua­li­fiés en Europe.  

Panorama des projets de SMR dans le monde

La forte crois­sance mon­diale de l’intérêt pour les SMR depuis plu­sieurs années s’est accom­pa­gnée d’un nou­veau dyna­misme indus­triel pour une gamme très large de concepts de réac­teurs. L’AIEA (Agence inter­na­tio­nale de l’énergie ato­mique) recense ain­si dans son book­let plus de 80 pro­jets de SMR, de toutes ori­gines et de tech­no­lo­gies diverses. Envi­ron la moi­tié des concepts appar­tient à la filière des réac­teurs à eau la plus éprou­vée (filière des cen­trales de puis­sance et des réac­teurs de pro­pul­sion navale), tan­dis que l’autre moi­tié concerne des réac­teurs dits avan­cés (réac­teurs à neu­trons rapides refroi­dis au sodium ou au plomb, réac­teurs à sels fon­dus, réac­teurs à haute tem­pé­ra­ture…). 

Actuel­le­ment, deux pro­jets de SMR ont été réa­li­sés et sont en ser­vice : la barge russe Aka­de­mik Lomo­no­sov (2 réac­teurs de 35 MWe) déployée dans la ville de Pevek (en Sibé­rie orien­tale) et le pro­jet chi­nois HTR-PM (deux réac­teurs refroi­dis au gaz à haute tem­pé­ra­ture cou­plés à une même tur­bine de 210 MWe) dans la pro­vince de Shan­dong. Deux autres SMR de démons­tra­tion indus­trielle sont en phase de construc­tion : en Argen­tine (Carem, un REP – réac­teur à eau pres­su­ri­sée – pro­to­type de faible puis­sance 25 MWe) et en Chine (l’ACP100, REP de 125 MWe). 

Les pro­jets les plus avan­cés pour un déploie­ment indus­triel et com­mer­cial d’ici la fin de cette décen­nie sont les réac­teurs à eau pres­su­ri­sée REP majo­ri­tai­re­ment avec une archi­tec­ture inté­grée (tous les com­po­sants du cir­cuit pri­maire sont une unique capa­ci­té sous pres­sion, la cuve) ou à eau bouillante REB (réac­teurs à eau bouillante) dits de 3^e géné­ra­tion, car ils reposent en grande par­tie sur des tech­no­lo­gies éprou­vées et un cycle du com­bus­tible exis­tant. Le pano­ra­ma est le sui­vant. 

Aux USA, deux pro­jets se dégagent : le pro­jet NuS­cale de cen­trale com­po­sée de plu­sieurs réac­teurs inté­grés REP (jusqu’à 12) de 77 MWe conçus pour fonc­tion­ner en convec­tion natu­relle, c’est-à-dire sans pompe pri­maire et inté­grant dans son desi­gn une sûre­té pas­sive (sans apport d’énergie externe, en situa­tion acci­den­telle) et le pro­jet BWRX-300 de GE Hita­chi, pro­jet REB rete­nu par l’opérateur cana­dien Onta­rio Power Gene­ra­tion (OPG) pour une pos­sible pre­mière réa­li­sa­tion sur le site de Dar­ling­ton. Un autre pro­jet suit : le pro­jet Hol­tec REP de 160 MWe. 

La Chine déve­loppe plu­sieurs desi­gns de SMR REP à terre et sur barges. Le pro­jet ACP100 ou Lin­glong One de 125 MWe, lan­cé récem­ment en construc­tion par CNNC (Com­pa­gnie nucléaire natio­nale chi­noise) dans l’île Hai­nan est le plus avan­cé. 

Au Royaume-Uni, l’entreprise Rolls-Royce SMR a lan­cé récem­ment la concep­tion d’un REP de 440 MWe pour un déploie­ment en pre­mier sur leur sol (notam­ment sur des anciens sites nucléaires de puis­sance équi­va­lente). 

La Rus­sie envi­sage d’autres barges et cen­trales à terre équi­pées de réac­teurs inté­grés RITM-200 de 50 MWe dont quatre uni­tés sont déjà ins­tal­lées dans les brise-glaces Sibir et Ark­ti­ka, qui entre­ront bien­tôt en ser­vice. 

La Corée du Sud a déve­lop­pé le pro­jet SMART, REP inté­gré de 100 MWe, et envi­sage son déploie­ment en col­la­bo­ra­tion avec l’Arabie saou­dite (pre­mières réa­li­sa­tions envi­sa­gées en Ara­bie saou­dite). 

D’autres concepts de SMR, de 4^e géné­ra­tion, aus­si appe­lés AMR (Advan­ced Modu­lar Reac­tors) sont déve­lop­pés. Davan­tage en rup­ture, ils deman­de­ront plus de recherches et ne seront pas prêts pour être com­mer­cia­li­sés en série avant 2040, voire 2050. Ces pro­jets font face à d’importants défis tech­no­lo­giques, mais plu­sieurs entre­prises tra­vaillent à les rele­ver. C’est notam­ment le cas de Mol­tex Ener­gy au Royaume-Uni et de Ter­res­trial Ener­gy au Cana­da, ain­si que de Kai­ros Power aux USA à par­tir des sels fon­dus, ou de Ter­ra­Po­wer aux USA, qui pro­pose un SMR à neu­trons rapides cou­plé avec un sto­ckage à sels fon­dus, ou encore d’X‑energy, un réac­teur à très haute tem­pé­ra­ture. Au-delà des avan­tages recher­chés par la 4^e géné­ra­tion (sûre­té, com­pé­ti­ti­vi­té, cycle du com­bus­tible, etc.), ces réac­teurs pour­raient favo­ri­ser cer­tains usages de cogé­né­ra­tion, notam­ment dans la pro­duc­tion de cha­leur de très haute tem­pé­ra­ture, uti­li­sée dans cer­tains pro­cé­dés indus­triels, que ne peut pas géné­rer la filière à eau sous pres­sion ou à eau bouillante.

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