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mardi 10 août 2021

Réponse à Thierry Breton : non le nucléaire n’est pas qu’une énergie de transition (3) Les SMR

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

Nuward (France, EDF-CEA)

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 

SMRs de génération IV ( Surgénérateurs, brûleurs de déchets)

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.


Xe-100, Xe-Mobile (X-Energy, USA)

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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