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EnglishRÉSUMÉ
Face aux besoins énergétiques et aux enjeux climatiques, l’énergie nucléaire apparaît comme un atout clé du mix énergétique du futur. En complément des réacteurs de forte puissance qui s’adressent aux grands pays industrialisés et émergents une autre voie semble pertinente pour déployer plus largement l’énergie nucléaire, celle des petits réacteurs nucléaires, appelés SMR pour Small Modular Reactors. De nombreux pays concepteurs de réacteurs ont engagé des développements dans cette voie à la fois dans la filière éprouvée des réacteurs à eau et dans les autres filières dites avançées ou de génération IV. Le présent article rappelle les enjeux et les challenges à relever pour le développement des SMR et dresse un panorama d’ensemble des principaux designs dans les différentes filière.
Face aux besoins énergétiques et aux enjeux climatiques, l’énergie nucléaire apparaît comme un atout clé du mix énergétique du futur.
En complément des réacteurs de forte puissance qui s’adressent aux grands pays industrialisés et émergents une autre voie semble pertinente pour déployer plus largement l’énergie nucléaire, celle des petits réacteurs nucléaires, appelés SMR pour Small Modular Reactors.
De nombreux pays concepteurs de réacteurs ont engagé des développements dans cette voie à la fois dans la filière éprouvée des réacteurs à eau et dans les autres filières dites avançées ou de génération IV.
Le présent article rappelle les enjeux et les challenges à relever pour le développement des SMR et dresse un panorama d’ensemble des principaux designs dans les différentes filières
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Jacques CHÉNAIS : Expert partenaire de NucAdvisor - Conseiller scientifique du projet NUWARD, anciennement Directeur des SMR - Directeur de la Propulsion Nucléaire au CEA, Directeur de l’Ingénierie chez TechnicAtome
INTRODUCTION
L’approvisionnement en énergie compte parmi les enjeux politiques, économiques et écologiques décisifs pour l’avenir de la planète au XXIe siècle. La satisfaction de la demande énergétique mondiale et le respect des objectifs internationaux de lutte contre le changement climatique imposent de développer des énergies décarbonées. Dans cette perspective l’énergie nucléaire apparaît comme un atout clé du mix énergétique du futur.
En 2022, l’offre électronucléaire se concentre sur des centrales de forte puissance (entre 1 000 MWe et 1 700 MWe par unité de production) et le demeurera vraisemblablement pour satisfaire la plupart des besoins des grands pays industrialisés et émergents.
Pourtant, depuis quelques temps, plusieurs pays concepteurs de réacteurs sont convaincus de la nécessité d’offrir au marché des centrales électronucléaires pour des puissances inférieures. C’est ainsi qu’ils ont engagé le développement de petits réacteurs modulaires innovants, typiquement en deçà d’un équivalent de 300 MWe par réacteur, appelés SMR pour Small Modular Reactor.
Le marché visé est complémentaire de celui des réacteurs de puissance. Il concerne celui des pays contraints par la taille de leur réseau électrique, leur géographie ou leur économie mais aussi les pays soucieux d’introduire des réacteurs manœuvrants dans un mix énergétique où les sources d’énergie renouvelable intermittentes (éoliennes, solaires) sont de plus en plus présentes.
Par ailleurs, outre la fourniture d’électricité, d’autres fonctionnalités sont également ouvertes à une telle offre comme la production de chaleur pour des processus industriels, la cogénération ou la production d’eau douce par dessalement de l’eau de mer ou la production d’hydrogène, par exemple.
Cependant, la compétitivité des centrales électronucléaires du marché actuel se fonde sur le bénéfice d’un effet de taille avec des niveaux de puissance unitaire de plus en plus élevés. Proposer une offre compétitive pour des puissances de 5 à 10 fois inférieures nécessite donc de changer de paradigme. Il se fonde sur le choix de centrales composées de plusieurs réacteurs de faible puissance rendant possibles des conceptions et modes de réalisations innovants par rapport aux réacteurs actuels : compacts, modulaires pour des fabrications poussées en usine, standardisées et de série, réduisant ainsi les durées et risques de construction sur site. Les dispositions retenues pour garantir leur sûreté et leur sécurité sont par ailleurs facilitées et simplifiées grâce à leur faible puissance unitaire permettant, par exemple, le recours à des systèmes de refroidissement passifs.
Les SMR ouvrent donc de nouvelles perspectives pour l’énergie nucléaire et la production d’électricité décarbonée dans le monde.
L’engouement en 2022 pour les SMR se traduit par un nombre conséquent de projets à différents stades d’étude (l’AIEA en recense plus de 70) et quelques réalisations en cours.
Enfin l’inventaire AIEA des projets de SMR inclut des réacteurs de très faible puissance (typiquement inférieure à 10 MWe) destinés à alimenter des bases militaires ou des zones stratégiques isolées. On parle ici de micro-réacteurs exclus de cette analyse.
MOTS-CLÉS
réacteur à haute température réacteur à sels fondus réacteur à eau pressurisée réacteur à neutrons rapides
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1. Genèse et état des lieux
Le développement des SMR s’appuie sur un background conséquent celui des réacteurs électrogènes de puissance et des réacteurs de propulsion navale en service (ou qui l’ont été dans le passé) mais aussi sur l’ensemble des études et développements réalisés dans les différentes filières de réacteurs. Selon les filières retenues les développements technologiques peuvent être plus ou moins conséquents et pour tous des défis sont à relever pour garantir leur succès économique.
1.1 Filières et projets
Depuis les débuts de l’aventure nucléaire presque toutes les filières possibles de réacteurs de fission ont été explorées. Les projets différaient en fonction des choix du combustible et de son enrichissement en 235U, du modérateur (pour les réacteurs à neutrons thermiques) et du caloporteur. Toutes n’ont cependant pas atteint le stade de réalisation industrielle soit parce que les développements n’ont pas abouti (impasse ou effort financier trop élévé) soit parce que la rentabilité économique n’a pas été démontrée. D’autres filières objet de réalisations ont été abandonnées parce que non rentables ou parce que jugées non sûres (aspects sûreté nucléaire et/ou prolifération).
C’est ainsi que pour la production électrogène (moyenne et forte puissance), les réacteurs refroidis par eau jouent depuis la première heure un rôle majeur et représentent plus de 95 % des 442 réacteurs de puissance civils en service dans le monde en 2021 (pour l’essentiel il s’agit de REP – réacteurs à eau pressurisé). En outre, la plupart des réacteurs nucléaires qui sont mis au point et en cours de construction (53 en 2021) sont des modèles refroidis par eau.
Pour les besoins de la propulsion navale nucléaire (puissance équivalente de quelques dizaines de MWe) une seule filière s’est imposée dans le monde, celle des REP retenue pour tous les navires militaires et brise-glaces nucléaires en service et en projets. Toutefois la Russie dans le passé a exploité des sous-marins nucléaires équipés de RNR réacteurs à neutrons rapides refroidis au plomb bismuth. En 2022 près de 200 réacteurs de propulsion navale sont en service dans le monde.
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BARRÉ (B.), ANZIEU (P.), LENAIN (R.), THOMAS (J.-B.) - * - . – EDP Sciences, collection GA Nuclear Engineering Series de l’INSTN (2016).
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(2) - WALTAR (A.E.), REYNOLDS (A.B.) - * - . – Pergamon Press (1981).
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(3) - SFEN - SMR : en mode modules. - Revue Générale Nucléaire (2018).
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(4) - AIEA - Advances in Small Modular Reactor Technology Developments. - Booklet (2020).
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