Des microréacteurs nucléaires pour décarboner la chaleur industrielle

En paral­lèle des SMR pour la pro­duc­tion élec­trique, la France a tout inté­rêt à inves­tir dans le déve­lop­pe­ment d’applications nucléaires non élec­tro­gènes comme les micro­réac­teurs à fis­sion nucléaire, en rem­pla­ce­ment des pro­duc­tions car­bo­nées de cha­leur indus­trielle. 

La cen­trale nucléaire reste un des meilleurs moyens de pro­duc­tion d’électricité décar­bo­née et un outil indis­pen­sable à la lutte contre le réchauf­fe­ment cli­ma­tique. Cepen­dant force est de consta­ter que les réa­li­tés éco­no­mique, tech­no­lo­gique et poli­tique gênent l’adaptation mas­sive de l’atome. La cen­trale nucléaire n’est en effet plus aus­si com­pé­ti­tive qu’auparavant, car elle est prise en tenailles entre d’une part l’augmentation des contraintes de sûre­té qui tire ses coûts à la hausse et d’autre part les coûts décrois­sants des autres solu­tions comme le solaire. Désor­mais poli­tiques et inves­tis­seurs pré­fèrent les éner­gies renou­ve­lables, faci­le­ment accep­tées, sans long chan­tier coû­teux, même si cela néglige les contraintes opé­ra­tion­nelles de pilo­ta­bi­li­té et de sto­ckage. Cela est ter­ri­ble­ment frus­trant. Grâce au com­bus­tible nucléaire moins cher au méga­watt­heure que le char­bon, la fis­sion est une des meilleures réac­tions phy­siques pour com­battre le réchauf­fe­ment cli­ma­tique. Pour­tant nous n’arrivons pas à en aug­men­ter la por­tée avec les cen­trales tra­di­tion­nelles. Ne pour­rions-nous donc pas l’utiliser autre­ment ? C’est ce que pro­posent de plus en plus d’initiatives. 

Deux paramètres principaux

La fis­sion est une réac­tion exo­ther­mique. Tra­di­tion­nel­le­ment la cha­leur déga­gée est cap­tée pour pro­duire de la vapeur qui sert ensuite à entraî­ner une tur­bine élec­tro­gène, lors d’un cycle ther­mo­mé­ca­nique qui néces­site une source froide. Cepen­dant cette éner­gie ther­mique peut être uti­li­sée dif­fé­rem­ment. Pour défi­nir de nou­velles appli­ca­tions et lut­ter ain­si contre le réchauf­fe­ment cli­ma­tique, deux para­mètres prin­ci­paux appa­raissent : d’une part la taille du réac­teur ; à l’instar des SMR (Small and Modu­lar Reac­tors de plu­sieurs cen­taines de méga­watts), le choix de la gamme de puis­sance ouvre ou ferme des appli­ca­tions, des clients poten­tiels et la pos­si­bi­li­té à l’export ; d’autre part le mar­ché : à qui vendre l’énergie déga­gée ? 

Le projet français Jimmy

Depuis dix ans, de nom­breux pro­jets de réac­teurs d’une dizaine de méga­watts sont ain­si nés pour des appli­ca­tions nou­velles : des­sa­le­ment, pro­duc­tion pour sites iso­lés, pro­pul­sion marine, cha­leur indus­trielle… C’est par exemple ce que pro­pose le pro­jet fran­çais Jim­my (www.jimmy-energy.eu) dont la mis­sion est de décar­bo­ner mas­si­ve­ment la cha­leur indus­trielle. Les indus­triels ont en effet le pro­blème sui­vant : ils consomment majo­ri­tai­re­ment de la cha­leur pour leurs pro­cé­dés et les éner­gies fos­siles res­tent, sauf excep­tion, la seule manière com­pé­ti­tive de créer cette cha­leur. L’électricité, le gaz ou l’hydrogène sont au moins deux fois plus chers. Jim­my pro­pose, à l’inverse, des géné­ra­teurs ther­miques de 10 MWth fon­dés sur la fis­sion, qui per­mettent de four­nir de la cha­leur décar­bo­née moins chère que les éner­gies fos­siles. Jim­my per­met ain­si à ses clients de res­pec­ter leur enga­ge­ment net zéro en 2050 tout en aug­men­tant leur marge, grâce à la fis­sion appli­quée à un nou­veau mar­ché. 

Un peu d’histoire

Conce­voir des micro­réac­teurs et uti­li­ser direc­te­ment la cha­leur pro­duite ne consti­tuent pas des idées nou­velles. Le micro­réac­teur nucléaire est un vieux fan­tasme et de nom­breux pro­jets ont vu le jour depuis les années 60. Par­mi les plus notables, il y a par exemple le ML‑1, des­ti­né au déploie­ment de l’armée amé­ri­caine, et le HTRE‑3, des­ti­né à la pro­pul­sion aéro­nau­tique. Mal­heu­reu­se­ment les coûts ou l’arrivée de tech­no­lo­gie plus per­ti­nente ont empê­ché ces pro­jets d’aboutir. Les modèles se rap­pro­chant le plus de micro­réac­teurs ont été fina­le­ment sur­tout les réac­teurs de recherche (près de 50 en France) et cer­tains petits réac­teurs de pro­pul­sion navale. D’autres uti­li­sa­tions de la cha­leur créée par fis­sion ont aus­si déjà été explo­rées. Par exemple, dans les pays au cli­mat rude, comme la Rus­sie, la Chine et les pays de l’Est, la cha­leur fatale de la cen­trale est par­fois uti­li­sée pour les réseaux de cha­leur rési­den­tielle (envi­ron 75 réac­teurs dans le monde sur les 443 exis­tants). D’autres pro­jets d’utilisation de la cha­leur ont exis­té, comme celui du des­sa­le­ment de l’eau de mer, qui inté­resse par­ti­cu­liè­re­ment l’Inde, le Japon et l’Arabie saou­dite aujourd’hui. 

Les leaders mondiaux de l’atome : le monde anglo-saxon

Les lea­ders mon­diaux du nucléaire res­tent incon­tes­ta­ble­ment les Amé­ri­cains. La recherche, les inves­tis­seurs et les pou­voirs publics ont bien com­pris que l’atome pou­vait ser­vir dif­fé­rem­ment qu’en cen­trale tra­di­tion­nelle et que le chan­ge­ment de taille offrait des pos­si­bi­li­tés inté­res­santes. Outre-Atlan­tique, deux cas d’usage ont ain­si sus­ci­té la créa­tion de nom­breux pro­jets depuis quinze ans. Dans les sites iso­lés existent des com­mu­nau­tés cou­pées du réseau élec­trique natio­nal au Cana­da et en Alas­ka, où habi­tants et acti­vi­tés indus­trielles ont un coût de l’énergie suf­fi­sam­ment éle­vé pour qu’une solu­tion ato­mique soit intéressante.

La défense par ailleurs renoue avec la volon­té de dis­po­ser de réac­teurs mobiles pour four­nir de l’énergie en théâtre d’opérations. Ain­si on trouve des pro­jets de rup­ture dont les plus connus sont Oklo, USNC (Ultra Safe Nuclear Cor­po­ra­tion), X‑energy ou eVin­ci. Ils pro­posent tous de four­nir simul­ta­né­ment élec­tri­ci­té et cha­leur à leur client. Les labo­ra­toires natio­naux, comme l’INL (Ida­ho Natio­nal Labo­ra­to­ry) autour de l’initiative GAIN (Gate­way for Acce­le­ra­ted Inno­va­tion in Nuclear), recensent et dyna­misent ces nom­breux pro­jets. Les DoE (Depart­ment of Ener­gy) et DoD (Depart­ment of Defense) sou­tiennent finan­ciè­re­ment leur déve­lop­pe­ment, avec un effort redou­blé en sor­tie de Covid. 

Le petit frère bri­tan­nique, quant à lui, suit l’exemple amé­ri­cain. D’une part le gou­ver­ne­ment a mis en place le pro­jet AMR (Advan­ced Modu­lar Reac­tor) afin de pro­po­ser une solu­tion ato­mique poly­va­lente et d’autre part Uren­co pour­suit depuis plu­sieurs années un pro­jet proche de celui de USNC, appe­lé U‑Battery, pour pro­duire simul­ta­né­ment élec­tri­ci­té et cha­leur. Si le monde anglo-saxon a encore du retard sur les réac­teurs à neu­trons rapides, ces nou­veaux besoins pour­raient jus­ti­fier des inves­tis­se­ments pour fran­chir le pas. Oklo est d’ailleurs un pre­mier pro­jet pion­nier de réac­teur à neu­trons rapides. 

La Chine, le challenger qui pourrait rapidement prendre la tête

La Chine est le chal­len­ger, la puis­sance nucléaire mon­tante, puisqu’elle comp­ta­bi­lise sur son ter­ri­toire le plus de réac­teurs en construc­tion (14). Si aujourd’hui elle se concentre prin­ci­pa­le­ment sur des réac­teurs de cen­trale pour la géné­ra­tion élec­trique, elle n’en reste pas moins poten­tiel­le­ment la pro­chaine puis­sance lea­der dans le domaine non élec­tro­gène. Cette mon­tée en puis­sance s’inscrit dans la durée. Depuis trente ans, la Chine col­lec­tionne les dif­fé­rentes tech­no­lo­gies appor­tées par les experts mon­diaux his­to­riques. En par­ti­cu­lier, elle a bien com­pris l’intérêt de la cha­leur fis­sile, ayant adop­té rapi­de­ment la cogé­né­ra­tion sur ses cen­trales nucléaires et ayant déve­lop­pé ces vingt-cinq der­nières années sa filière de High Tem­pe­ra­ture Reac­tors à par­tir du savoir-faire ger­ma­nique. Une nou­velle cen­trale de ce type a même été mise en ser­vice le 12 sep­tembre 2021. Elle a éga­le­ment annon­cé récem­ment l’industrialisation d’un réac­teur à sels fon­dus d’ici 2030. Ain­si les appli­ca­tions direc­te­ment indus­trielles et rési­den­tielles sont dans la stra­té­gie chi­noise, qui aura pour chaque appli­ca­tion (cha­leur, des­sa­le­ment, hydro­gène) la meilleure tech­no­lo­gie, décli­née à la puis­sance conve­nue. 

En Europe, les pays nordiques sont les plus audacieux

L’Europe, qui avait bien com­pris l’enjeu de l’atome au len­de­main de la Seconde Guerre mon­diale, est aujourd’hui divi­sée sur la ques­tion. Seules des ini­tia­tives pri­vées, sou­vent proches de la recherche et encore récem­ment assez peu sou­te­nues par les pou­voirs publics, voient le jour pour pro­po­ser des alter­na­tives aux cen­trales élec­triques clas­siques. Les lea­ders dans les pro­jets inno­vants sont les pays nor­diques, ins­tal­lés depuis quelques années. On recense en par­ti­cu­lier : le danois Sea­borg, qui sou­haite pro­po­ser à par­tir de 2027 des réac­teurs à sels fon­dus pour pro­duire élec­tri­ci­té, cha­leur et per­mettre la pro­pul­sion navale ; le sué­dois Lead­Cold, lié avec KTH (Ins­ti­tut royal de tech­no­lo­gie), qui sou­haite mettre au goût du jour la tech­no­lo­gie sovié­tique au plomb pour les sites iso­lés nord-amé­ri­cains sur les­quels il opère ; le fin­lan­dais VTT (Centre de recherche tech­nique de Fin­lande) qui sou­haite construire un réac­teur à eau, dédié au chauf­fage urbain. 

La France commence à réagir

La France, pour­tant pion­nière dès les années 70 avec le pro­jet de pile ther­mique Ther­mos ou le pro­gramme Score, ne se posi­tionne que depuis deux ans sur cette gamme à tra­vers deux ini­tia­tives pri­vées : le pro­jet Naa­rea qui concur­rence qua­si fron­ta­le­ment Sea­borg en pro­po­sant une tech­no­lo­gie à sels fon­dus pro­ve­nant des tra­vaux du CNRS ; la start-up Jim­my, qui adapte une tech­no­lo­gie mature à un posi­tion­ne­ment unique puisqu’elle ne se concentre exclu­si­ve­ment que sur la cha­leur indus­trielle, sans aucune pro­duc­tion élec­trique, ce qui lui per­met de décar­bo­ner mas­si­ve­ment l’industrie en pro­po­sant une cha­leur moins chère que celle du gaz avec une pré­vi­si­bi­li­té du coût à vingt ans. 

D’autres pro­jets ont vu éga­le­ment le jour grâce à des entre­pre­neurs euro­péens. On peut noter en par­ti­cu­lier : le suisse Trans­mu­tex, qui sou­haite cou­pler un accé­lé­ra­teur de par­ti­cules à un réac­teur pour détruire les déchets nucléaires ; l’italien New­cleo qui veut indus­tria­li­ser des pro­jets de réac­teur 4^e géné­ra­tion en Europe. 

Le Japon et la Russie, deux acteurs qui pourraient profiter de leur passé atomique

La Rus­sie, héri­tant du savoir de l’URSS, est capable de se posi­tion­ner sur un pro­jet de réac­teur non pure­ment élec­tro­gène. En par­ti­cu­lier elle béné­fi­cie de la tech­no­lo­gie au plomb grâce à son concept Brest-OD-300 et ses sous-marins de la classe Alpha. Elle béné­fi­cie­rait aus­si du retour d’expérience de la mise sur orbite de satel­lites conte­nant des réac­teurs nucléaires par le pas­sé. Aujourd’hui la recherche russe reste cepen­dant orien­tée autour de la pos­sible pro­pul­sion aéro­nau­tique et les cen­trales sur barges. 

Le Japon, dix ans après Fuku­shi­ma, reprend éga­le­ment une poli­tique nucléaire. La puis­sance nip­pone ral­lume des réac­teurs de pro­chaine géné­ra­tion comme le HTTR (High Tem­pe­ra­ture Engi­nee­ring Test Reac­tor) et affirme sa volon­té de pour­suivre son expé­rience de cou­plage ther­mique avec un site de pro­duc­tion d’hydrogène. 

Réussir une transition énergétique

Élec­tri­ci­té, cha­leur indus­trielle, cha­leur rési­den­tielle, hydro­gène par élec­tro­lyse ou cycle iode-soufre, des­sa­le­ment, trans­port… tout peut être fait à par­tir de fis­sion. L’enjeu est alors de réus­sir une tran­si­tion éner­gé­tique en créant des entre­prises pros­pères pour sou­te­nir l’innovation tout du long de cette tran­si­tion. Si les SMR offrent un renou­veau au mar­ché élec­trique, des réac­teurs d’un ordre de gran­deur infé­rieur, dits micro­réac­teurs, semblent être une bonne voie pour pro­po­ser de nou­velles applications.

“Le format microréacteur est propice à l’export du savoir-faire français.”

Ses dis­po­si­tifs sont en effet plus abor­dables désor­mais et plus faci­le­ment accep­tables, car ils pré­sentent géné­ra­le­ment une sûre­té pas­sive intrin­sèque. Ain­si, inves­tir mas­si­ve­ment dans cette voie pour­rait per­mettre de rendre à nou­veau plei­ne­ment ren­table notre indus­trie nucléaire. En effet la demande croît sur ces sec­teurs, moins concur­ren­tiels que celui du mar­ché élec­trique, et le for­mat micro­réac­teur est pro­pice à l’export du savoir-faire fran­çais. Par ailleurs, la pro­duc­tion en moyenne série per­met des inno­va­tions plus rapides, en par­ti­cu­lier pour mini­mi­ser la créa­tion de déchets, dont les construc­teurs de cen­trale pour­ront ensuite béné­fi­cier. 

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