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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