Suite des deux blogs précédents : la Gen III :https://vivrelarecherche.blogspot.com/2021/08/non-le-nucleaire-nest-pas-quune-energie.html;
la Gen IV :https://vivrelarecherche.blogspot.com/2021/08/reponse-thierry-breton-non-le-nucleaire.html
1) Petits réacteurs modulaires (SMR) : défis et opportunités
Les petits réacteurs modulaires (SMR) sont de plus en plus reconnus par
les décideurs politiques et les acteurs industriels comme une technologie nucléaire
prometteuse. Les SMR peuvent être définis comme des réacteurs nucléaires d'une
puissance comprise entre 10 MWe et 300 MWe qui intègrent, de par leur
conception, des niveaux élevés de modularisation, de standardisation et de
construction en usine permettant des modèles de livraison plus prévisibles
basés sur les économies de série.
Remember : big is powerful. Alors, si perdant en puissance, les SMR
perdent en rendement et en efficacité, ils bénéficient d’autres avantages qui
les rendent attrayant pour un grand nombre d’usages, dont certains nouveaux, et
qui ont font des outils très utiles contre le réchauffement climatique., comme
l‘illustre le diagramme suivant :
Taille
et compacité : Sans
aller jusqu’à la compacité des chaudières embarquées (10 mètres de diamètre
pour 150 MW), les SMR disposent d’une architecture ramassée avec
l’incorporation des boucles primaires, des générateurs de vapeur et
pressuriseur à l’intérieur de la cuve. Selon les puissances et technologies
utilisées, la dimension de l’ensemble (hors turbines et alternateurs) varie de
10 à 50 mètres de hauteur et 20 à 100 mètres de diamètre. Dans le projet Nuward
d’EDF (2 SMR de 170 MW) chaque réacteur mesure 16 mètres de haut et de l’ordre
de 20 mètres de diamètre. Le réacteur tient dans un gymnase, toute la centrale
sur un terrain de foot !
Sécurité
inhérente : Une
puissance plus faible et le rapport surface/volume plus élevé offert par les
cœurs plus petits augmenteront l’efficacité des systèmes de sécurité passive,
tant pour des conditions de fonctionnement normales qu’hors normale. Par
exemple, de nombreuses conceptions basées sur le LWR ont des stocks d’eau très
importants pour refroidir passivement les systèmes des réacteurs, même dans des
circonstances extrêmes (p. ex. perte d’énergie hors site). Une plus grande
dépendance à l’égard des systèmes de refroidissement passifs permet des
conceptions plus simplifiées et une rationalisation du fonctionnement et de
l’entretien.
Ainsi, pour le projet français Nuward, des facteurs
importants de sécurité renforcée sont une enceinte métallique plus facilement
contrôlable qu’une enceinte en béton, des systèmes de sauvegarde passifs et
permettat l’évacuation de la puissance résiduelle en trois jours sans
intervention humaine ni énergie de secours, le fonctionnement par gravité ou
par convection (circulation naturelle), certains concepts allant même jusqu’à
voir disparaitre les pompes primaires, le pilotage uniquement avec les grappes
de contrôle (commandes immergées) sans bore dans le cœur, la cuve immergée dans
l’eau peut retenir d’éventuels produits de fission et est conçue pour retenir
un éventuel corium (fusion du cœur) etc
Standardisation
et fabrication modulaire :
La standardisation plus facile de la conception est un grand atout des SMR qui
constitue un moyen efficace de réduire les coûts en favorisant l’apprentissage
par la modularisation et la construction en usine. La modularisation simplifie la construction en
divisant la centrale en modules qui peuvent être construits en usine,
transportés puis assemblés sur site. Par la fabrication en série et en usine,
par la simplicité d’exploitation, on arrive à des prix de revient du MWh de
l’ordre 50 à 70 euros, comparables au marché actuel. Ce sont des projets beaucoup moins
capitalistiques que les grands réacteurs et plus attractifs pour des
investisseurs.
2) Le
paysage futur des SMR : un beau bestiaire en cours d’évolutions rapides
Les SMR représentent une évolution d’une technique
bien maitrisée, présente par exemple dans les réacteurs de sous-marins
nucléaires, mais des évolutions très ambitieuses sont en cours. La plupart des concepts SMR peuvent être
regroupés en cinq grandes catégories
- Les SMR à eau
légère (LWR) à une seule unité - technologie bien établie pour fournir des
unités autonomes qui peuvent remplacer de petites unités à combustible fossile
ou être déployées comme production distribuée ( par exemple dans les villes
pour faire du chauffage urbain)
- Les réacteurs multimodules à eau légère peuvent être
exploités en remplacement d'une capacité de base de taille moyenne ou dans un
cadre de production décentralisée, en fonction de la capacité de production.
- Les SMR mobiles/transportables à eau légère et sont
destinés à être facilement déplacés d'un endroit à l'autre. Les réacteurs
flottants sont inclus dans cette catégorie
. Réacteurs mobiles de génération IV (Gen IV) - ils
utilisent des technologies avancées autres que celles de l’eau légère et
comprennent de nombreux concepts qui ont été étudiés par le Forum international
Génération IV (GIF) au cours des dernières années.
- Les micro-réacteurs modulaires (MMR) - représentent
des conceptions d'une capacité inférieure à 10 MWe, souvent capables d'un
fonctionnement semi-autonome et d'une meilleure transportabilité par rapport
aux plus grands SMR. Ces technologies ne sont généralement pas basées sur l’eau
légère et appliquent un large éventail d'approches technologiques, y compris
les technologies de la génération IV.
Selon l'Agence internationale de l'énergie atomique
(AIEA), environ 70 concepts SM R sont actuellement en cours de développement,
ce couvrant un large éventail d'approches technologiques et de niveaux de
maturité. Défilé de haute couture des SMR :
3) Les projets en cours SMR-1)
les modules simples
( designs similaires, tous fonctionnant à l’uranium faiblement enrichi)
CAREM (Central Argentina de
Elementos Modulares) est un
petit réacteur modulaire pour la production d’électricité actuellement en
construction près de la ville de Zárate, dans la partie nord de Buenos Aires.
Il s’agit essentiellement d’un réacteur à eau pressurisée (REP) simplifié conçu
pour avoir une puissance électrique de 25 MW pour le premier prototype, 100 MW
dans le suivant. Il s’agit d’un réacteur intégré – le système de
refroidissement se trouve à l’intérieur de la cuve du réacteur. L’Indonésie
serait intéressée.
Smart (Corée du Sud)
Réacteur à eau pressurisée d’une puissance de 330 MW thermique pour 110 MW électrique, pensé pour une exploitation de 60 ans, couple la désalinisation de l’eau de mer et la production d’électricité. Prototype en construction en Arabie Saoudite, design certifié
ACP 100 ou Linglong One (CNNC China National Nuclear Corporation ): Il fut le premier SMR apprpuvé par l'AIE en 2016. Design intégratif, 125MWe, flexible destine au chauffage urbain et petits réseau électriques, désalinisation et militaire, industries électrointensives, remplacement de centrales thermiques ; sortie de l’eau à 260°C , durée 60 ans, rechargement tous les 2 ans . Construction lancée en 2019 à Changjiang, Hainan
SMR-160 (Holtech, USA) : réacteur à eau sous pression doté d’un circuit de refroidissement primaire entraîné uniquement par la force gravitationnelle : aucune pompe ni aucune vanne ne sont nécessaires, de même qu’aucun apport d’énergie externe pour le refroidissement de la chaleur résiduelle.En cours d’homologation, contrat signé avec l’Ukraine pour 6 unités.
Candu-SMR (Canada)
Comme toute la filière Candu, il présente la particularité d’utiliser l’eau lourde comme modérateur ce qui lui permet de fonctionner avec une grande variété de combustibles : uranium naturel non enrichi, MOX recyclé content du plutonium, thorium… Il génère du tritium, ce qui peut être un inconvénient, mais peut aussi générer des isotopes radioactifs à usage médical ; sous la forme SMR, son coefficient de vide négatif impacte encore moins la sécurité. Le SMR CANDU de 300 MWe semble pour l’instant devoir rester à l’état de projet.
UKSMR-Rolls-Royce
Un
consortium mené par Rolls Royce a avancé rapidement dans le design d’un SMR
classique à eau pressurisée de 440 MWe. Le coût cible d’une est de 1,8 milliard
de livres sterling. Rolls-Royce prévoit de construire jusqu’à 16 réacteurs au Royaume-Uni
et en 2019, la société a reçu 18 millions de livres sterling pour commencer à
concevoir le système modulaire ; le
gouvernement devrait fournir 200 millions de livres supplémentaires pour le
projet dans le cadre de son plan vert pour la relance économique. L’Estonie
s’est aussi déclarée intéressée.
Les projets en cours SMR-2) les multi modules
KLT-40S- Akademik Lomonosov Russie)
Encore
une fois, comme pour la GENIV les Russes ont gagné et le KLT-40S est le premier
SMR en exploitation commerciale- en plus il s’agit d’un SMR mobile posé sur une
barge. Il s’agit de la
version antérieure du RITM-200, dérivé des réacteurs de brise glace nucléaire.
L'Akademik Lomonosov est équipée de deux réacteurs de 35 MW chacun qui
utilisent de l'uranium faiblement enrichi et génèrent suffisamment de puissance
pour alimenter une ville de 100 000 habitants et permet d'éviter l'émission de
50 000 tonnes de CO2 chaque an. Après un voyage maritime de 5000km, l’ Akademik Lomonosov a rejoint la ville Sibérienne
de Pevek, en où elle a été raccordée au réseau électrique en décembre 2019.
RITM-200 (Russie, Rosatom)
Le RITM-200 est un réacteur de 50 MWe
directement inspiré de celui qui équipe les dernières générations de brise-glace
et qui est en fonctionnement commercial depuis 2019 sur les brise glace Project 22220 (par exemple, Arktika). Le
RITM-200, possède un design extrêmement compact, modulaire, des délais de
constructions courts et une durée de vie de plus de 60ans. Le principal usage
du RITM-200 sera l’alimentation de
régions de la Russie difficiles d’accès , mais il pourra aussi
avantageusement être utilisé pour
produire de l’hydrogène. Première mise en service prévue pour 2026 an Yakoutie.
NuScale (USA)
NuScale
a eu une vie agitée : c’est au départ, en 2011, un projet financé par le DOE et mené par
diverse Universités et organismes publics (Oregon, Idaho) puis divers
investisseurs s’impliquent dont le principal, Kenwood, a été poursuivi pour
escroquerie (indépendante de Nuscale), qui s‘en est sorti avec l’aide de Rolls
Royce. NuScale a été le premier opérateur à soumettre des plans de SMR à la Commission
de réglementation nucléaire (NSR) et est le premier à avoir obtenu son approbation
finale en 2020. Son projet est en cours d’évaluation par un consortium de
sociétés de services publics appelé Energy Northwest.
Si
Nuscale a avancé aussi rapidement, c’est qu’il est un réacteur à eau légère de
conception classique fonctionnant avec de l’uranium enrichi à moins de 5% et
une période de ravitaillement de 2 ans. Sa puissance est de 60MWe, et il est
prévu de pouvoir assembler de 1 à 12 modules dans une centrale. Chaque module
mesure 2.7 m de diamètre et 20 mètres de haut, pèse 600 tonnes et sera fabriqué
en usine et livre par rail, barge ou camion spécial. Mise en service possible : 2026
EDF ne s’est lancé
dans les SMR qu’en 2017, soit beaucoup plus tard que ses concurrents.
L’énergéticien n’a donc pas envisagé d’intégrer de nouvelles technologies,
comme les sels fondus ou les neutrons rapides, ni de développer des réacteurs
de toute petite puissance, qui peuvent s’associer en grappe. EDF a préféré
miniaturiser les technologies qu’il maîtrise parfaitement, pour donner
naissance à Nuward (abréviation de « Nuclear Forward »,
SMR, dont le design a été dévoilé le 6 avril 2021.
Développé en
partenariat avec TechnicAtome, Naval Group et le Commissariat à l’Energie
Atomique (CEA), Nuward est une unité intégrée de 340 MWe, avec deux réacteurs
de 170 MWe à eau pressurisée, la technologie du parc nucléaire français, et une
seule salle de commande. « Une technologie éprouvée, avec peu
d’inconnues, pour laquelle l’échelle de temps et le risque de ne pas aller
jusqu’au bout sont maîtrisés », explique Benoît Desforges, le directeur
développement et stratégie de TechnicAtome.
Le réacteur prend
place dans un cube d’eau de 25 mètres sur 25, et sera semi-enterré
HTR-PM (Chine, CNEC)
Là,
c’est la Chine qui a dégainé la première
avec le premier SMR de GENiV en construction. Le HTR-PM (200MWe) est un
petit réacteur nucléaire modulaire dérivé du HTR10 (cf le billet sur les
réacteurs de GENIV) en cours de développement en Chine. Il s'agit donc d’un
réacteur à lits de boulets (le combustible est constitué de billes de graphite
qui contiennent comme combustible de petits grains de céramique d’uranium
enrichi à 8.5%). Le caloporteur est l‘hélium, chauffé à 750°C. Il est destiné
principalement à remplacer les centrales à charbon et au fuel pour le chauffage
des agglomérations et fera de la cogénération vapeur. La cuve du réacteur mesure environ 25 m de
haut et pèse 700 tonnes. Les Chinois lui prévoient un potentiel gigantesque à
l‘exportation. En cours de construction à Shidao
Natrium
(TerraPower en collaboration avec GE Hitachi,
USA, Bill Gates)
Le
Natrium est un Réacteur à Neutrons Rapides (RNR-Na) combiné à un système d'échange de chaleur à sel fondu. Sa puissance est de 345
MWe avec montée possible jusqu’à 500 MWe, et sa dynamique extraordinaire lui
permettre de faire du suive de charge. Le design a été validé par le DOE (USA)
et un premier démonstrateur est en cours de construction dans la Wyoming.
Traveling
Wave Reactor, TWR ( TerraPower, Bill Gates)
Projet extraordinaire que ce réacteur « à onde de combustion. Le principe : un cœur de réacteur est chargé en matériau fertile et une réaction en chaîne est déclenchée par l'addition localisée d'une petite quantité de matériau fissile. Une fois la réaction démarrée, on distingue quatre parties dans le cœur : une zone appauvrie qui contient des produits de fission et des restes de combustible, la zone où se produit la fission du matériau fertile généré, la zone de surgénération où le combustible fissile est produit par absorption de neutrons par le combustible fertile et la zone source qui contient le matériau fertile intact. Avec le temps la zone de fission progresse en consommant la matière fertile placée devant elle et laissant des restes de combustion derrière elle (wikipedia)
L’objectif est d’utiliser 100% de l’uranium contre seulement 0,72% dans les réacteurs nucléaires actuels. Le TWR pourra fonctionner durant plusieurs décennies sans remplacer le combustible. Initialement, le programme devait être développé avec la Chine et le prototype construit en Chine mais les tensions US-Chine en ont eu raison. Le projet sera développé aux US avec une installation de démonstration d’une puissance de 600 MW.
Le Xe-100 est un
réacteur à lit de galet classique de
80MW.h ( mais plusieurs modules peuvent être assemblés pour former une centrale
plus importante (typiquement 4, 320MWe). Le caloporteur est l’Hélium (700°C)et
la durée sans rechargement 60 ans.
Westinghouse
Lead-cooled Fast Reactor (LFR) :
Le liquide de
refroidissement étant le plomb (à1700°C) qui fonctionne à la pression
atmosphérique et ne réagit pas de manière exothermique avec l’air, la
technologie LFR élimine le besoin et les dépenses associées de composants
supplémentaires et de systèmes de sécurité redondants requis par d’autres
conceptions de centrales pour la protection contre les fuites de liquide de
refroidissement, ce qui simplifie le design et diminue les coûts. Le LFR
(450MWe) peut faire du baseload, du suivi de charge, de la cogénération chaleur
électricité, de la désalinisation.
Moltex stable salt reactor (UK, Canada)
Le cœur comprend 400tubes de 10mm de diamètre, et son
originalité est d’être rectangulaire, ce qui est un peu moins efficace d’un
point de vue neutronique qu’une géométrie cylindrique mais permet le
rechargement des barres de fuel en fonctionnement. Le combustible est composé
de deux tiers de chlorure de sodium et d’un tiers de plutonium et de
trichlorures mixtes de lanthanide/actinide- le combustible des réacteurs
initiaux devrait provenir de combustible nucléaire usé conventionnel converti
et cette possibilité de recyclage est l’un de ses atouts. Le sel de refroidissement dans le réservoir du
réacteur est un mélange de fluorure de zirconium de sodium.Comme pour tous les
autres GEN4, le MSSR possède des
caractéristiques de sûreté intrinsèques et aucun opérateur ou système actif
n’est requis pour maintenir le réacteur dans un état sûr et stable.
Integral Molten Salt Reactor (IMSR, Terrestrial
Energy, Canada)
L’IMSR
appartient à la classe DMSR (denatured molten salt reactor) des réacteurs à
sels fondus (MSR) et est donc un réacteur « brûleur » qui utilise un
combustible liquide plutôt qu’un combustible solide conventionnel; ce liquide
contient le combustible nucléaire et sert en même temps de caloporteur
primaire d’où un design très simplifié. Dans
la version standard, le combustible est de l’uranium faiblement enrichi (<5
% d’U235) sous forme de tétrafluorure d’uranium (UF4) mélangé à des sels (LiF,
NaF ou BeF2). Des barres de graphite verticales assurent la modération. Puissance :
400MWth, 190 MWe.Durée de fonctionnement 7 ans.
KP-FHR small modular reactor (Kairos Power, USA)
Le concept KP-FHR utilise le sel de fluorure fondu comme caloporteur à basse pression et comme combustible des galets TRISO. Le TRISO (TRi-structural ISOtropic particle fuel ), étudié depuis les années 60, est constitué d’un noyau de combustible d’uranium, de carbone et d’oxygène. Le noyau est encapsulé par trois couches de matériaux à base de carbone et de céramique qui empêchent la libération de produits de fission radioactifs. Les « particules » sont de la taille d’une graine de pavot et peuvent être fabriqués en granulés cylindriques ou sphériques. Les combustibles TRISO sont structurellement plus résistants à l’irradiation neutronique, à la corrosion, à l’oxydation et aux températures élevées (des facteurs qui influent le plus sur le rendement du combustible) que les combustibles des réacteurs traditionnels. Le concept KP_FHR a reçu 300 millions de dollars du Department of Energy pour la construction d’un démonstrateur de 50 MWth (Hermès)à Oak Ridge
U-Battery (Univ Manchester,Delft)
Utilise aussi les galets TRISO comme combustible. Production de chaleur et d’électricité: 10MWt thermique en cogénération avec jusqu’à 4MWt d’électricité (MWe). Température de sortie : 710°.C
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