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RÉSUMÉ
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.
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réacteur à haute température réacteur à sels fondus réacteur à eau pressurisée réacteur à neutrons rapides
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SMR de filières innovantes ou Advanced Modular Reactors
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2. SMR de la filière des réacteurs à eau
L’objectif d’une nouvelle offre nucléaire complémentaire de celle des centrales de puissance et disponible au plus vite a conduit de nombreux concepteurs à retenir une filière de réacteur éprouvée, celle des réacteurs à eau pressurisée ou filière REP, la plus répandue dans le monde pour les centrales électrogènes et les réacteurs de propulsion navale.
L’autre filière, mature mais beaucoup moins déployée dans le monde, celle des réacteurs à eau bouillante ou filière REB, n’est, à une exception près, pas retenue par les concepteurs probablement pour les raisons suivantes :
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une conception présentant des inconvénients comme la deuxième barrière de confinement étendue à la partie conventionnelle (avec risque de contamination), les mécanismes sous cuve (avec traversées en fond de cuve), un pilotage avec des domaines d’instabilités ;
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une filière par ailleurs moins bien perçue depuis l’accident de Fukushima.
2.1 Architecture des REP
L’architecture d’origine des REP et qui s’est imposée pour les réacteurs électrogènes de puissance est celle des réacteurs à boucles (jusqu’à 4 boucles). D’autres architectures sont possibles pour des réacteurs de faible puissance (retenues notamment pour la propulsion navale) : l’architecture compacte ou intégrée (le circuit primaire se limite à une cuve contenant le cœur et les mécanismes de commande des absorbants, le générateur de vapeur, les pompes primaires et le pressuriseur, avec des variantes) et l’architecture « multipots » caractérisée par des générateurs de vapeur et des pompes primaires à l’extérieur de la cuve et raccordées à celle-ci par des tubulures courtes.
Une analyse des différentes architectures permet de dégager les points suivants :
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l’architecture intégrée présente de sérieux atouts pour une construction modulaire poussée en usine et offre des avantages significatifs vis-à-vis de la sûreté (suppression des boucles primaires, grande inertie primaire et ratios volume-puissance offrant des marges confortables pour garantir le maintien du corium en cuve, conception en élévation facilitant le recours à des systèmes de sauvegarde passifs). Cette architecture est celle de...
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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).
-
(2) - WALTAR (A.E.), REYNOLDS (A.B.) - * - . – Pergamon Press (1981).
-
(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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