Pour bâtir l’avenir de la filière nucléaire, plongeons dans son histoire

Il est impor­tant de rap­pel­er l’histoire du développe­ment de l’énergie nucléaire civile pour replac­er les évo­lu­tions actuelles dans la per­spec­tive longue qui gou­verne ce secteur d’investissement majeur. 

De l’enthousiasme ini­tial à la défi­ance sus­citée par les acci­dents de la fil­ière et la ges­tion des déchets radioac­t­ifs, jusqu’au regain d’intérêt porté aujourd’hui par le risque cli­ma­tique, les visions du nucléaire du futur ont été large­ment façon­nées par les pro­grès tech­nologiques, les événe­ments mal­heureux de la fil­ière et les choix poli­tiques en réponse aux préoc­cu­pa­tions de sécu­rité énergé­tique, puis de décar­bon­a­tion de l’économie. Le regard porté sur les dif­férents types de réac­teurs à tra­vers les épo­ques et les con­textes est riche d’enseignement pour con­solid­er aujourd’hui la place de la fil­ière par­mi les éner­gies bas car­bone du futur. 

La dynamique des années pionnières 

L’énergie nucléaire est née d’une dynamique excep­tion­nelle portée par la recherche et ses appli­ca­tions mil­i­taires : dix ans ont suf­fi pour pass­er de la décou­verte du neu­tron en 1932 à la pre­mière pile atom­ique CP‑1 en 1942 dans la ban­lieue de Chica­go. Dix ans à nou­veau pour réalis­er les pre­miers réac­teurs à neu­trons rapi­des : EBR‑1 aux États-Unis en 1951, puis BR‑2 et BR‑5 entre 1956 et 1959 en Union sovié­tique. Et encore dix ans pour com­pléter l’exploration des tech­nolo­gies nucléaires avec le démar­rage du Molten Salt Reac­tor Exper­i­ment au lab­o­ra­toire nation­al d’Oak Ridge (États-Unis) en 1965 et celui du réac­teur expéri­men­tal à haute tem­péra­ture en 1966 à Win­frith (Roy­aume-Uni). 

À cette époque, où com­mençaient à se dévelop­per en France les réac­teurs à ura­ni­um naturel graphite gaz (UNGG) et à eau lourde, le développe­ment de l’énergie nucléaire dans le monde était un atout évi­dent, et l’ambition d’une indus­trie floris­sante con­duisit dès 1957 à créer l’Agence inter­na­tionale de l’énergie atom­ique ain­si qu’à sign­er le traité Euratom : deux ini­tia­tives pour pro­mou­voir la recherche et la dif­fu­sion des bonnes pra­tiques, pour établir une régle­men­ta­tion uni­forme des­tinée à pro­téger la pop­u­la­tion et les tra­vailleurs de l’industrie et pour prévenir les risques de pro­liféra­tion en insti­tu­ant un con­trôle des matières nucléaires. 

Des innovations décisives pour l’avenir de la filière

Plusieurs per­cées tech­nologiques sont rapi­de­ment venues ouvrir la voie vers le nucléaire actuel. D’abord l’enrichissement de l’uranium qui a per­mis le développe­ment des réac­teurs à eau légère mis en œuvre pour la pre­mière fois dans le sous-marin améri­cain Nau­tilus, qui a démon­tré l’autonomie per­mise par la propul­sion nucléaire en atteignant le pôle Nord en août 1958. Ensuite le développe­ment du retraite­ment des com­bustibles des réac­teurs UNGG à la fois pour des appli­ca­tions mil­i­taires et la val­ori­sa­tion du plu­to­ni­um dans les réac­teurs à neu­trons rapi­des dont le développe­ment, à par­tir des années 1960, a dépassé le cadre ini­tial des États-Unis et de la Russie pour s’étendre à l’Europe (la Grande-Bre­tagne, la France, puis l’Allemagne), au Japon et à l’Inde dans les années 1980, et à la Chine dans les années 2000. 

La situation de la France

La vision du futur en France dans les années 1950 s’exprime par la voix de la Com­mis­sion de la pro­duc­tion d’électricité d’origine nucléaire (PEON) qui déclarait en 1955 : « Il n’y aura pas une seule fil­ière de réac­teurs telle que celle de Mar­coule (UNGG), mais plusieurs de type dif­férent qui pour­raient se super­pos­er à par­tir de cer­taines dates : la pre­mière fil­ière (UNGG à ura­ni­um naturel) dur­era moins de dix ans, une deux­ième (réac­teurs à eau sous pres­sion à ura­ni­um enrichi) pour­rait fonc­tion­ner vers 1962 et une troisième fil­ière pour­rait com­mencer avec les breed­ers (surgénéra­teurs) à par­tir de 1965. Il est prob­a­ble que, dans vingt-cinq ou trente ans, seule la troisième sub­sis­tera. » 

Aujourd’hui la fil­ière des réac­teurs à eau (sous pres­sion ou bouil­lante) représente 350 GW sur la puis­sante nucléaire totale de ~410 GWe instal­lée dans le monde, et les inter­ro­ga­tions soulevées par les acci­dents de Three Mile Island (1979), Tch­er­nobyl (1986) et Fukushi­ma (2011) sur le développe­ment à long terme de l’énergie nucléaire ont ramené à ~2 GWe la puis­sance instal­lée en réac­teurs à neu­trons rapi­des (dont 1,4 GWe en Russie). 

D’autres ruptures technologiques 

D’autres rup­tures tech­nologiques, apparues dans les années 1960 à 1980, méri­tent d’être men­tion­nées pour leur car­ac­tère précurseur, même si leur impact a été moin­dre. Il s’agit des petits réac­teurs à neu­trons rapi­des refroidis à l’alliage plomb-bis­muth, dévelop­pés par l’Union sovié­tique pour accroître les per­for­mances des sous-marins de la classe Alpha, et des pre­miers réac­teurs à haute tem­péra­ture con­stru­its aux États-Unis et en Europe, avec l’intention portée en Alle­magne par le pro­jet PNP-500 d’une appli­ca­tion à la four­ni­ture de chaleur (500 MWth) pour la pro­duc­tion indus­trielle de gaz de syn­thèse à par­tir de char­bon et de lig­nite. 

La sécurité énergétique et le risque climatique 

Le déploiement de l’énergie nucléaire dans le monde, prin­ci­pale­ment avec le rem­place­ment des cen­trales ther­miques au char­bon, gaz et fioul par des réac­teurs à eau, a d’abord répon­du à une préoc­cu­pa­tion de sécu­rité énergé­tique, notam­ment dans les pays pau­vres en ressources fos­siles. Le plan Mess­mer en France, qui a décidé la con­struc­tion du parc élec­tronu­cléaire en 1974, en est un exem­ple mar­quant. 

“Le plan Messmer en France a décidé la construction du parc électronucléaire en 1974.”

Le risque cli­ma­tique, dont la sig­na­ture du pro­to­cole de Kyoto en 1997 a sus­cité une prise de con­science inter­na­tionale du besoin de lim­iter les émis­sions de gaz à effet de serre, a con­duit l’Union européenne à adopter en 2008 une poli­tique inté­grée de l’énergie et de lutte con­tre le change­ment cli­ma­tique faisant une place au nucléaire de fis­sion à côté des éner­gies renou­ve­lables, des bio­car­bu­rants, du cap­tage et stock­age du CO2…, avec la recom­man­da­tion de partager entre États mem­bres les bonnes pra­tiques en matière de sûreté, de sécu­rité et de lutte con­tre la prolifération.

Aujourd’hui, l’énergie nucléaire est recon­nue inter­na­tionale­ment comme l’un des leviers stratégiques de la lutte con­tre le change­ment cli­ma­tique, au même titre que les éner­gies solaire et éoli­enne, l’efficacité énergé­tique et les tech­nolo­gies de flex­i­bil­ité. En témoignent les pro­jec­tions de l’AIEA qui prévoit une puis­sance nucléaire instal­lée de plus de 800 GWe dans le monde en 2050, l’étude prospec­tive Futurs énergé­tiques 2050 de RTE pub­liée en févri­er 2022 et la clas­si­fi­ca­tion du nucléaire par­mi les « éner­gies durables » au plan envi­ron­nemen­tal dans la tax­onomie européenne. 

Les leçons des accidents 

Ces per­spec­tives favor­ables dépen­dent cepen­dant de la capac­ité de la nou­velle généra­tion de réac­teurs à eau à sat­is­faire plusieurs con­di­tions dont cer­taines, telles que l’amélioration de la sûreté à coût maîtrisé en ten­ant compte des acci­dents passés ou le développe­ment de la manœu­vra­bil­ité pour s’adapter à une part impor­tante d’énergies renou­ve­lables vari­ables, font appel à l’innovation et d’autres, telles que la mise en œuvre d’une stratégie de ges­tion des com­bustibles usés, relèvent plus du con­texte et de la régle­men­ta­tion nationale. Il est en par­ti­c­uli­er essen­tiel que le nou­veau nucléaire apporte la preuve qu’il est conçu pour gér­er sans con­séquence durable à l’extérieur du site tout acci­dent, même grave, et que le coût de pro­duc­tion d’électricité reste com­pa­ra­ble à celui des autres éner­gies bas car­bone en inclu­ant les coûts de sys­tème (rac­corde­ment, stock­age…) et de taxe car­bone. Il est aus­si essen­tiel de démon­tr­er la maîtrise des opéra­tions d’assainissement et de déman­tèle­ment des réac­teurs en fin de vie. 

L’harmonisation des exi­gences de sûreté sur le plan inter­na­tion­al est une autre con­di­tion impor­tante pour pou­voir déploy­er le nou­veau nucléaire dans le monde, dans un con­texte où s’affrontent aujourd’hui sur le marché un mod­èle européen met­tant l’accent sur le ren­force­ment du con­fine­ment (parce que tirant préféren­tielle­ment les leçons de l’accident de Tch­er­nobyl) et des mod­èles améri­cano-japon­ais priv­ilé­giant plutôt la ges­tion pas­sive des acci­dents de refroidisse­ment (en con­séquence de l’accident de Three Mile Island), et encore des mod­èles russe, chi­nois ou coréen pro­posant des approches plus con­ser­v­a­tives à moin­dre coût. 

Les promesses des SMR

Les petits réac­teurs mod­u­laires dans la gamme de 50 à 300 MWe (Small Mod­u­lar Reac­tors — SMR), qui con­nais­sent un regain d’intérêt très médi­atisé sur le con­ti­nent améri­cain, font aus­si par­tie de l’offre de réac­teurs des prochaines décen­nies avec des atouts tels que la qual­ité de fab­ri­ca­tion en usine, la rapid­ité d’installation sur site, une puis­sance uni­taire adap­tée aux petits réseaux élec­triques, aux zones isolées ou au rem­place­ment de cen­trales à char­bon, voire d’autres atouts encore tels que l’étalement des investisse­ments pour équiper pro­gres­sive­ment un cen­tre de pro­duc­tion nucléaire de forte puis­sance. Ces petits réac­teurs sont aus­si con­sid­érés pour des pro­duc­tions mul­ti­vecteurs (élec­tric­ité, chaleur, hydrogène…) pou­vant con­tribuer à décar­bon­er l’économie et les usages, et pour des gains poten­tiels de manœu­vra­bil­ité par un suivi plus dynamique de la demande en élec­tric­ité dans des régions forte­ment équipées en éner­gies solaire et éoli­enne. Avec le pro­jet Nuward (170 MWe) porté par EDF, Naval Group, Tech­ni­cAtome et le CEA, la France par­ticipe à l’offre inter­na­tionale de réac­teurs mod­u­laires pour un marché qui doit encore se pré­cis­er. 

Une vision du futur

Au-delà du déploiement des réac­teurs à eau de nou­velle généra­tion qui devraient con­stituer l’essentiel de la pro­duc­tion élec­tronu­cléaire dans le monde au XXI^e siè­cle, les recherch­es se pour­suiv­ent active­ment sur des réac­teurs et des ges­tions du com­bustible nucléaire capa­bles d’étendre l’apport de la fil­ière à une économie décar­bonée, cir­cu­laire et durable. Il s’agit de pro­gress­er avec les acteurs de l’industrie française et le sou­tien de l’Autorité de sûreté nucléaire vers un nucléaire plus économe des ressources naturelles, plus sûr et respectueux de l’environnement, plus com­péti­tif et plus flex­i­ble en ter­mes de capac­ité de suivi de charge et de four­ni­ture d’énergie diver­si­fiée : élec­tric­ité, chaleur, hydrogène, car­bu­rants neu­tres en car­bone… Cer­tains axes de recherche se situent, avec les tech­nolo­gies actuelles, dans le pro­longe­ment de réal­i­sa­tions pio­nnières qui ont ouvert la voie à de nou­velles fil­ières en lais­sant leur développe­ment inachevé. Le forum inter­na­tion­al Généra­tion IV, créé en 2000 par l’US Depart­ment of Ener­gy, qui compte aujourd’hui 14 mem­bres et dont la France est depuis l’origine un parte­naire act­if, a large­ment con­tribué à relancer le développe­ment de fil­ières nucléaires dépas­sant sous dif­férents aspects les per­for­mances des réac­teurs à eau : les réac­teurs à neu­trons rapi­des pour val­oris­er com­plète­ment le poten­tiel énergé­tique de l’uranium, les réac­teurs à haute tem­péra­ture pour une pro­duc­tion d’électricité à haut ren­de­ment et la four­ni­ture de chaleur à l’industrie dans la gamme de 250 à 800°C, et des fil­ières plus prospec­tives, telles que les réac­teurs à sels fon­dus, dont les sauts tech­nologiques pour­raient ouvrir de nou­velles per­spec­tives. 

Les systèmes à neutrons rapides 

L’objectif his­torique de pré­par­er le déploiement à terme de sys­tèmes nucléaires à neu­trons rapi­des sûrs et com­péti­tifs, capa­bles de recy­cler sans lim­ites les matières réu­til­is­ables et cer­tains déchets de haute activ­ité à vie longue actuelle­ment des­tinés au stock­age géologique, fait des travaux dans ce domaine, encore aujourd’hui, l’axe prin­ci­pal des recherch­es sur le nucléaire du futur. À la suite des réac­teurs Rap­sodie, Phénix et Super­phénix, les recherch­es de pro­grès pour les réac­teurs à neu­trons rapi­des refroidis au sodi­um ont été relancées de 2010 à 2019 par le pro­jet Astrid dans le Pro­gramme d’investissements d’avenir et se pour­suiv­ent actuelle­ment par un pro­gramme de recherche et développe­ment large­ment ouvert à l’international. L’objectif est d’entretenir au mieux les com­pé­tences néces­saires pour entre­pren­dre, quand elle pour­ra être décidée, la réal­i­sa­tion d’un réac­teur expéri­men­tal per­me­t­tant des irra­di­a­tions aux neu­trons rapi­des ou d’un démon­stra­teur tech­nologique d’avancées majeures pour la fil­ière, notam­ment en sûreté, com­péti­tiv­ité économique et sou­p­lesse d’exploitation (inspec­tion en ser­vice, main­te­nance et suivi de charge). Ces recherch­es val­orisent au mieux les acquis his­toriques et les apports du pro­jet Astrid pour ce type de réac­teur et s’accompagnent d’un effort impor­tant pour main­tenir les out­ils de sim­u­la­tion au meilleur niveau, en tirant par­ti d’apports expéri­men­taux étrangers pour leur qual­i­fi­ca­tion. Elles s’accompagnent égale­ment d’études de scé­nar­ios de déploiement dans le parc élec­tronu­cléaire renou­velé. 

De plus, une veille stratégique s’attache à éval­uer d’autres types de réac­teurs à neu­trons rapi­des con­duisant à des réal­i­sa­tions à l’étranger tels que Brest-300, réac­teur rapi­de de 300 MWe refroi­di au plomb en con­struc­tion en Russie, ain­si qu’à men­er cer­taines études d’esquisses et recherch­es de base pour la fais­abil­ité de con­cepts en rup­ture tels que les réac­teurs à sels fon­dus à neu­trons rapi­des. Dans ce domaine, la coopéra­tion à un pro­jet de la société améri­caine Ter­raPow­er four­nit l’occasion d’explorer la sim­plic­ité de principe du con­cept, avec ses lim­ites et ses poten­tial­ités pour un traite­ment et recy­clage sur site du com­bustible-sel. 

Les réacteurs à haute température 

Les réac­teurs à haute tem­péra­ture, au développe­ment desquels la France a par­ticipé dans les années 1970, puis de 2002 à 2006 dans le cadre du regain d’intérêt sus­cité par le forum inter­na­tion­al Généra­tion IV, font aus­si l’objet d’une veille à tra­vers le suivi des pro­jets de ce type de réac­teur dans le monde (Japon, Chine…) et des démon­stra­tions de leurs poten­tial­ités : pro­duc­tion d’électricité avec un ren­de­ment supérieur à 40 %, four­ni­ture de chaleur décar­bonée à haute tem­péra­ture pour la pro­duc­tion d’hydrogène ou d’autres procédés indus­triels, implan­ta­tion à prox­im­ité des sites util­isa­teurs de la chaleur, com­pat­i­bil­ité avec un refroidisse­ment sec dans les régions arides… 

Et des projets plus lointains 

Pour le plus long terme, la France, qui accueille sur son sol le réac­teur toka­mak expéri­men­tal inter­na­tion­al ITER (Inter­na­tion­al ther­monu­clear exper­i­men­tal reac­tor), par­ticipe active­ment, dans un cadre européen et plus large­ment inter­na­tion­al, à trans­pos­er la régle­men­ta­tion nucléaire aux spé­ci­ficités des réac­teurs à fusion et à dévelop­per, avec l’expertise acquise sur les réac­teurs à fis­sion, des tech­nolo­gies pour la récupéra­tion de l’énergie de fusion et pour la régénéra­tion du tri­tium qui seront expéri­men­tées sous la forme de mod­ules de cou­ver­ture tests dans ITER, et en vraie grandeur dans le réac­teur de démon­stra­tion DEMO qui lui suc­cédera vers 2045. 

Enfin, la per­spec­tive de mis­sions inter­na­tionales vers Mars et de retour à la Lune comme base inter­mé­di­aire et ter­rain d’exploration sci­en­tifique sus­ci­tent un regain d’intérêt, très mar­qué aux États-Unis, pour le développe­ment de généra­teurs élec­tronu­cléaires pour la propul­sion et l’alimentation de bases au sol, en plus des généra­teurs radio-iso­topiques déjà mis en œuvre pour l’instrumentation sci­en­tifique, les télécom­munications et la mobil­ité en sur­face des rovers d’exploration. Au-delà d’études exploratoires menées avec le Cnes et l’ESA, la France cherche à val­oris­er son expéri­ence sur une grande diver­sité de réac­teurs et de procédés du cycle du com­bustible à tra­vers des coopéra­tions visant à ren­dre l’Europe plus autonome en matière de tech­nolo­gies nucléaires spa­tiales, ou des con­tri­bu­tions à des mis­sions plus large­ment inter­na­tionales. 

De nouvelles perspectives 

Les réac­teurs à eau con­stru­its depuis les années 1970 pour des raisons de sécu­rité énergé­tique béné­fi­cient d’un cor­pus très établi de tech­nolo­gies mis­es en œuvre aujourd’hui à la fois dans de nou­veaux mod­èles de réac­teurs de forte puis­sance et des pro­jets de petits réac­teurs mod­u­laires à même d’élargir le champ des appli­ca­tions de l’énergie nucléaire à la four­ni­ture de chaleur, d’hydrogène ou de car­bu­rants de syn­thèse. La dynamique de déploiement de ces nou­veaux réac­teurs, qui dépend dans les pays occi­den­taux de pro­grès en com­péti­tiv­ité économique et de règles de mécan­isme de capac­ité à pré­cis­er, déter­min­era la part de l’énergie nucléaire dans la réduc­tion des émis­sions de CO2 à court et moyen ter­mes. 

Au-delà, l’objectif de neu­tral­ité car­bone appelle à met­tre en œuvre une diver­sité de nou­veaux réac­teurs capa­bles d’inscrire l’énergie nucléaire dans le très long terme avec les neu­trons rapi­des, d’accroître sa capac­ité à décar­bon­er la chaleur et les car­bu­rants tech­nologiques avec les réac­teurs à haute tem­péra­ture, et à éval­uer l’apport poten­tiel d’autres fil­ières por­teuses de rup­tures tech­nologiques struc­turantes telles que les réac­teurs à sels fon­dus. L’enjeu partagé avec les parte­naires du forum inter­na­tion­al Généra­tion IV pour ces réac­teurs du futur est de pro­jeter dans l’avenir les réal­i­sa­tions de ces fil­ières his­toriques en revoy­ant leur con­cep­tion en fonc­tion des meilleures tech­nolo­gies disponibles aujourd’hui et en tirant par­ti des coopéra­tions inter­na­tionales pour partager les coûts de développe­ment et de démon­stra­tion, et entretenir les com­pé­tences en l’absence de pro­jets nationaux. 

Un important potentiel de progrès 

Le poten­tiel de pro­grès de l’énergie nucléaire reste aujourd’hui très impor­tant, tant en ter­mes de nou­velles tech­nolo­gies disponibles que sur le plan de la diver­si­fi­ca­tion des four­ni­tures d’énergies décar­bonées envis­age­ables, et l’apparition de start-up s’intéressant à ces pro­grès con­tribue à stim­uler l’innovation dans un secteur que les coûts de recherche et développe­ment et les exi­gences de sûreté ont ren­du très con­ser­va­teur. 

“Les perspectives des volets nucléaires des plans France Relance et France 2030 sont très encourageantes.”

Les per­spec­tives de sou­tien ouvertes par les volets nucléaires des plans France Relance et France 2030 sont très encour­ageantes pour per­me­t­tre aux acteurs nationaux de faire val­oir sur la scène inter­na­tionale leur exper­tise et leur vision des options recom­mand­ables pour ces nou­veaux réac­teurs, voire des normes régle­men­taires qui leur sont applic­a­bles pour la sûreté, la sécu­rité et la ges­tion des déchets radioac­t­ifs. Ces per­spec­tives sont aus­si très encour­ageantes pour per­me­t­tre des développe­ments précurseurs de procédés d’intérêt inter­na­tion­al pour la décar­bon­a­tion de secteurs dif­fi­ciles, comme la chaleur et les car­bu­rants sur lesquels les objec­tifs de neu­tral­ité car­bone con­duisent à faire porter un effort par­ti­c­uli­er en France. 

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