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Publié le 23 septembre 2015

​La question énergétique est un défi majeur pour l’avenir de la planète. En 2030, la demande énergétique à l’échelle mondiale aura doublé sous l’effet conjugué de l’augmentation de la population (9 à 10 milliards en 2050) et de la croissance des pays émergents. A l’heure où les ressources disponibles sont en voie de raréfaction et où il devient urgent d’engager une lutte efficace contre le changement climatique, le nucléaire apparaît comme une énergie pour l’avenir, aux côtés des énergies renouvelables.
Ces nouveaux enjeux impliquent le développement de technologies innovantes et en rupture par rapport aux systèmes actuels, d’une part, dans le domaine de la fission nucléaire avec la conception de réacteurs de quatrième génération. D’autre part, et à plus long terme, dans le domaine de la fusion nucléaire avec la mise en œuvre de systèmes électrogènes.

​Fission nucléaire :
vers la quatrième génération
de réacteurs 

Aujourd’hui, l’énergie nucléaire de fission est une technologie mature, qui assure en France plus de 75 % de la production électrique et présente des atouts au regard des enjeux de demain. Depuis la mise en place de la filière électronucléaire dans les années soixante-dix, plusieurs générations de réacteurs se sont succédées.

La première génération regroupe les réacteurs construits avant 1970 (en France filière UNGG, uranium naturel graphite gaz). La deuxième désigne les réacteurs construits à partir des années 1970 et actuellement en exploitation ; en France, il s’agit des 58 réacteurs à eau pressurisée du parc actuel. La troisième est celle des réacteurs dérivés des précédents et conçus pour les remplacer progressivement ; en France, il s’agit de l’EPR en construction à Flamanville.
La quatrième génération désigne les réacteurs en cours de conception qui pourraient entrer en service à l’horizon 2050. Elle est en rupture technologique avec les précédentes générations. Les recherches sur ces systèmes innovants sont menées dans le cadre du Forum International Génération IV, qui a établi les critères auxquels ils devront répondre en termes de sûreté, de durabilité (entre autres vis-à-vis de la ressource en uranium), de gestion des déchets, de compétitivité économique et de résistance à la prolifération nucléaire.


Les objectifs du
Forum International Génération IV

L’évaluation la plus récente et la plus aboutie des technologies capables de répondre aux objectifs définis pour les systèmes nucléaires du futur, a été réalisée dans le cadre du Forum international génération IV. Il s’agit d’une association intergouvernementale, lancée en 2000 à l’initiative des Etats-Unis. Il regroupe treize membres : Afrique du Sud, Argentine, Brésil, Canada, Chine, Etats-Unis, Euratom, France, Japon, Corée du Sud, Royaume-Uni, Russie, Suisse.
En 2001, les 13 partenaires du Forum international génération IV établissent une charte officielle, donnant le coup d’envoi de cette instance de coopération en matière de R&D pour établir la faisabilité et les performances des réacteurs du futur. Objectif : développer des réacteurs à la sûreté renforcée, durables (entre autres, économes en uranium), économiquement compétitifs par rapport aux autres sources d’énergie, non proliférant, résistants aux attaques terroristes et créant peu de déchets ultimes.
Fin 2002, six concepts de réacteurs sont sélectionnés, dont trois sont des filières intrinsèquement à neutrons rapides (RNR) : RNR gaz, RNR sodium et RNR plomb, réacteurs à eau supercritique (RESC), à très haute température (RTHT) et à sels fondus (RSF). La France s’implique essentiellement dans deux filières : les RNR sodium dont elle a l’expérience avec Phénix et Superphénix et, dans une moindre mesure, les RNR gaz, avec des partenaires européens.

 

Le CEA est chargé de mener pour la France les recherches sur ces systèmes innovants. Les recherches portent sur deux filières de réacteurs nucléaires :

  • Les réacteurs à neutrons rapides (RNR) refroidis au sodium, avec le projet Astrid ;
  • Les réacteurs à neutrons rapides (RNR) refroidis au gaz, filière qui apparaît comme une option intéressante à plus long terme.
VidéoLes réacteurs nucléaires de 4ème génération dans les enjeux énergétiques de demain

​Qu’est-ce qu’un un réacteur nucléaire à neutrons rapides (RNR) ?

C’est un réacteur nucléaire sans modérateur dans lequel la majorité des fissions sont générées par des neutrons présentant des énergies du même ordre de grandeur que celle qu'ils possèdent lors de leur production par fission. Cette filière de réacteur permet notamment de brûler tout type de plutonium et tout type d’uranium, ce qui présente les avantages suivants :

1. Ils peuvent utiliser sans limitation tout le plutonium produit par le parc actuel des réacteurs à eau légère ou par eux-mêmes, ce qui permet d’assurer une gestion rationnelle et pérenne du plutonium, justifiant ainsi pleinement son statut de matière énergétique valorisée.

2. Ils peuvent brûler tout type d’uranium, alors que dans les systèmes actuels, seul l’uranium 235 (un isotope minoritaire) est brûlé. En permettant de valoriser la totalité de l’uranium extrait du sol, ils multiplient par un facteur proche de 100 l’énergie que l’on peut extraire d’une masse donnée d’uranium naturel. Avec l’uranium appauvri présent sur le territoire français et le plutonium issu du combustible usé des centrales actuelles, les systèmes de quatrième génération à neutrons rapides pourraient fonctionner pendant plusieurs milliers d’années en se passant totalement d’uranium naturel.

Astrid constitue probablement l’un des projets les plus ambitieux du CEA dans le domaine de l’énergie nucléaire : celui de réaliser un démonstrateur technologique de réacteur nucléaire de 4e génération dont la puissance sera de 1 500 MWth, soit 600 MWe environ. Le projet a été inscrit dans la loi de programme relative à la gestion durable des déchets radioactifs du 28 juin 2006.
Les enjeux de ce projet sont très importants. Astrid permettrait à la France d’être le premier pays à disposer d’un tel démonstrateur technologique. Un déploiement industriel d’une telle filière serait envisagé aux alentours de 2050.
Pour répondre aux objectifs de la 4e génération, Astrid présentera des innovations décisives par rapport aux précédents RNR-Na, en particulier dans le domaine de la sûreté, parmi lesquels on peut citer :

  • un cœur innovant, dit cœur CFV, naturellement résistant aux transitoires accidentels, qui confère au réacteur un comportement naturel favorable en cas de perte de refroidissement, et constitue une avancée essentielle dans le domaine de la sûreté ;

  • un système de conversion d’énergie à générateurs de vapeur modulaires, pour limiter les effets d’une éventuelle réaction sodium-eau ou à échangeurs sodium-azote, pour supprimer totalement la présence d’eau à proximité du sodium ;

  • un récupérateur de cœur fondu intégré à la cuve du réacteur ;

  • des dispositions d’inertage et de détection précoce de fuites qui réduisent fortement les risques de feu de sodium ;

  • des moyens multiples et redondants d’évacuation de la puissance résiduelle ; le réacteur peut utiliser l’atmosphère comme moyen de refroidissement, même en cas de perte des alimentations électriques et de la source froide en eau ;

  • l’intégration à la conception des besoins d’inspection en service pendant toute la durée de vie du réacteur.

Astrid intégrera également des dispositions permettant de réduire la durée des arrêts pour le rechargement du combustible et d’augmenter le taux de combustion et la durée de cycles.



Fusion nucléaire :
à la conquête de l’énergie des étoiles

Produire une grande quantité d’énergie en toute sécurité avec un combustible peu onéreux, tel est l’enjeu de la fusion thermonucléaire. Cette réaction physique se produit naturellement au cœur des étoiles. Sur Terre, le combustible employé pour la fusion – un mélange de deutérium et de tritium - provient de matières premières abondantes et équitablement réparties sur notre planète.

Confiné et chauffé dans un tore magnétique (« tokamak »), le plasma de deutérium et de tritium (D-T) produit par fusion nucléaire des noyaux d’hélium, des neutrons et de l’énergie. Les noyaux d’hélium cèdent leur énergie par collision au plasma. Environ 80% de l’énergie produite par les réactions de fusion sont emportés hors du plasma par les neutrons, qui sont absorbés par les parois du tokamak. La chaleur ainsi emmagasinée est ensuite récupérée pour produire de l’électricité.

Vidéofusion(s)

En théorie, la fusion de moins d’un kg par jour de deutérium et de tritium produirait la chaleur nécessaire à la production de 1 000 MW d’électricité en continu, soit ce que l’on réalise aujourd’hui dans une centrale thermique à partir d’environ 5 000 tonnes de combustible fossile. En pratique, la maîtrise de la fusion nécessite de travailler sur la stabilité du plasma de fusion.
L’enjeu de la recherche sur la fusion nucléaire est considérable puisqu’elle pourrait offrir une source d’énergie quasi-inépuisable à l’avenir. Le réacteur de fusion Iter, actuellement en construction sur le site de Cadarache, représente une étape importante en vue d’un éventuel déploiement de cette source d’énergie sur le territoire à l’horizon 2100.

Tore Supra, le tokamak du CEA à Cadarache, devient West (W Environment in Steady-state Tokamak). Ce champion du monde des plasmas de fusion « longs » se transforme pour devenir une plateforme de tests pour Iter. West permettra d’étudier des composants en tungstène refroidis par circulation d’eau et exposés à des plasmas de fusion de « longue » durée.

VidéoWest prépare Iter à domestiquer la fusion nucléaire


 





Centrale EDF de Chooz
Centrale EDF de Chooz © F.Rhodes/CEA












































Vue globale du démonstrateur technologique Astrid.
Vue globale du démonstrateur technologique Astrid. © CEA




Coeur innovant CFV
Coeur innovant CFV. © CEA






Détection de fuites
 Détection de fuites. © PF. Grosjean/CEA






Infographie sur le fonctionnement d'un réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium
Infographie sur le fonctionnement d'un réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium.
© CEA/F. Mathé























































Réception du cryostat de la station d’essais à froid  pour la validation des 18 aimants toroïdaux de la machine de fusion JT60
Réception du cryostat de la station d’essais à froid  pour la validation des 18 aimants toroïdaux de la machine de fusion JT60 Super Advance. © F.Rhodes/CEA


Vue de l'enceinte plasma de Tore Supra
Vue de l'enceinte plasma de Tore Supra.
© P.Stroppa/CEA

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