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Réacteurs SMR



La voie des petits réacteurs modulaires

Une centrale nucléaire flottante pour la Sibérie
L'Akademik Lomonosov quittant le port de Saint Petersbourg. Arrivé à destination, les deux petits réacteurs embarqués alimenteront un district isolé de l'extrême nord sibérien.
Anton Vaganov/TASS
Le 4 mai 2018, l’Akademik Lomonosov quitte le port de Saint-Petersbourg. Véritable centrale nucléaire flottante, il emporte à son bord deux petits réacteurs KLT-40S de 52 MWe de puissance, du type de ceux utilisés pour les brise-glaces de l'Artique. Il devait après avoir dépassé la Norvège, se charger en combustible à Mourmansk, puis poursuivre sa route aux confins de l'extrême nord, pour atteindre la ville de Pevek dans la lointaine région autonome de Chukotka à l’extrémité de la Sibérie. Il s'agit d'y remplacer un vieux réacteur obsolète, fournir de l’électricité, dessaler l’eau de mer, et alimenter des plates-formes pétrolières.

Un « Tchernobyl flottant » s’émurent certains ! En réalité, les deux petits réacteurs KLT-40S sont de conception ancienne mais éprouvée. Le modèle équipe depuis 30 ans, les brise-glaces russes dans l’Arctique. Ils sont 20 fois moins puissants que les gros réacteurs REP dont nous avons l’habitude.

Les atouts des petits réacteurs

L’Akademik Lomonosov est un exemple de l’intérêt que pourraient présenter à l’avenir de petits réacteurs. Aux Etats-Unis particulièrement on s’intéresse aux perspectives offertes par de petits réacteurs constitués de plusieurs unités ou modules. Ces petits réacteurs modulaires (Small Modular Reactors ou SMR) y sont perçus comme une composante importante du parc nucléaire futur.

En effet, les réacteurs de forte puissance comme ceux de génération III demandent des investissements très lourds avec une construction très longue pouvant atteindre dix années, ou davantage. Les SMR au contraire devrait permettre d’engager des investissements plus faibles sur une durée plus courte. Il offriraient une puissance adaptée à la demande locale, pour fournir dans des zones isolées et sans réseau, comme dans l'exemple du grand nord de la Sibérie ou de l'Alaska.

Projet NUSCALE : Un ensemble de modules
Le projet de SMR sur le site de l’Idaho National Laboratory comprendrait des modules de base de 50 MWe électriques correspondant à 160 MWth thermiques. Au sein du bâtiment réacteur, chaque module serait dans sa piscine individuelle. Ces piscines seraient accolées avec possibilité d’accès en partie supérieure pour les rechargements du combustible et opérations de maintenance. On multiplierait le nombre de modules suivant la puissance désirée.
Nuscale
Le projet NuScale, à l’avant-garde des SMR américains

Le projet le plus avancé est celui de la Société NuScale aux Etats-Unis qui a fait l’objet d’une demande de certification en 2017. Le projet bénéficie du soutien du DOE (Département de L'Energie). Il s'agirait de construire un ensemble de 600 MWe (douze modules de 50 MWe) sur le site du prestigieux Idaho National Laboratory (INL).

Dans la cuve du réacteur, le cœur et le générateur de vapeur sont superposés. La colonne d’eau chauffée dans le cœur monte puis se refroidit dans le générateur de vapeur et redescend froide à l’entrée du cœur. Ce processus s’effectue en convection naturelle, donc sans pompe primaire. L’arrivée d’eau froide pour le générateur de vapeur et la sortie de la vapeur sous pression vers la turbine sont disposées au-dessus de la cuve du réacteur, ainsi que le passage de barres de commande qui pilotent le cœur.

Ces petits modules offrent l'avantage d'une plus grande simplicité. Par exemple, lors d'un arrêt, ils permettent une évacuation passive de la puissance résiduelle, et ne nécessitent pas de circuits d’injection, etc.

Le concept d'un module n’est pas révolutionnaire et présente de fortes similitudes avec certains réacteurs de la propulsion navale où les générateurs de vapeur sont superposés au cœur en délivrant de manière très flexible la puissance nécessaire.
Transport d'un module SMR ( projet NUSCALE)
Un module NUSCALE aurait une hauteur de 23,16 mètres, un diamètre de 4,6 mètres pour un poids de 700 tonnes. Ce sont les dimensions compatibles avec une fabrication en usine et un transport par camion ou par barge.
NUSCALE POWER, LLC 2017
Sûreté : La petite taille du module avec un facteur vingt environ sur le cœur par rapport à un EPR ou AP 1000, conduit à un certain nombre d’avantages en termes de sûreté comme l’évacuation de la puissance résiduelle qui se fait de manière passive, le module étant immergé dans sa piscine. Comme l’eau du circuit primaire ne sort pas de la cuve principale, il n’y a pas besoin de dispositifs d’injection de secours, pour pallier d’éventuelles fuites ou ruptures, ce qui simplifie notablement la conception. La circulation de cette eau se faisant en convection naturelle, les problèmes liés aux arrêts accidentels de pompe primaire sont aussi supprimés.

En cas d'accident, un réacteur de puissance faible, avec un système passif ne nécessitant pas ou un minimum d'intervention humaine est rassurant pour les riverains.

De multiples et précieuses possibles applications ...

L’intérêt des petits réacteurs ne se limite pas à alimenter en électricité des sites isolés en Sibérie, Aslaka ou petites îles loin de tout. Voici quelques exemples d'applications :

- Dessalement de l’eau de mer et production d’eau douce : Les usines de dessalement utilisent actuellement des centrales thermiques pour générer de la chaleur. Les SMR, capables de produire de la chaleur et de l’électricité pourraient remplacer ces centrales thermiques pour le dessalement de l’eau de mer sans générer de gaz à effets de serre.

- Production d’hydrogène sans CO2 : L’hydrogène est considéré comme une source d’énergie du futur (par exemple pour les piles à combustible). Actuellement, la production d’hydrogène repose à 95 % sur le traitement d’hydrocarbures par des procédés fortement émetteurs de CO2. L’hydrogène pourrait être produit sans C02 à partir d’électricité, via l’électrolyse, ou de la chaleur par des processus catalytiques. Les SMR, sont à la fois sources d’électricité et de chaleur. Comme pour le dessalement de l’eau de mer, ils contribueraient au développement de la production d’un hydrogène propre.

- Chauffages urbains et industriels : La production de chaleur est l’un des principaux postes de consommation d’énergie. Obtenue généralement à partir des énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz) elle émet beaucoup de CO2. Les SMR, mini centrales nucléaires, sont des installations thermiques pouvant (aussi) produire de l’eau chaude ou de la vapeur. Ils pourraient alors être déployés en étant simplement branchés en remplacement des capacités existantes. pour alimenter les réseaux de chauffage urbain ou des sites industriels.

- Équilibrage et pilotage des réseaux électriques : Les énergies renouvelables non pilotables, tels le solaire ou l’éolien, sont intermittentes. Les SMR pourraient être un outil pour l’équilibrage d’un réseau électrique bas carbone durant les épisodes où les énergies renouvelables sont insuffisantes. En sens inverse, dans des périodes de faible demande d’électricité ou quand la production des renouvelables est élevée, ils seraient utilisés au chauffage urbain, à la désalinisation ou la production d’hydrogène.





Les SMR au delà de l'électricité
Les SMR pourraient contribuer à un monde sans carbone. En plus de l'électricité, les SMR sont en mesure de fournir d’autres applications bénéfiques pour l’environnement : cogénération d'électricité et chaleur afin de produire de l'hydrogène, eau douce ou chauffage pour les villes, Régulation et flexibilité du mix électrique ou encore alimentation des zones isolées.
RGN
Perspectives (2018)

Aux USA, la première et décisive étape sera l’acceptation ou non du projet, par la Nuclear Regulatory Commission (NRC) et les éventuelles améliorations suggérées. Des contacts et discussions positives ont déjà eu lieu. Seize rapports ont été déjà transmis à la NRC, dont une dizaine acceptés. NuScale qui bénéficie du soutien du Département de L'Energie (DOE) espère obtenir sa certification vers 2020.

La deuxième étape serait la construction d’un prototype sur le site disponible de l’Idaho National Laboratory. Cette étape permettra de préciser les coûts et les plannings. Si le concept est certifié et s'il n'y a pas de retards, la date de 2022 est évoquée pour le lancement des travaux et celle de 2026 pour le début de l’exploitation.

Les SMR intéressent aussi en dehors des Etats-Unis. NuScale a choisi le Royaume-Uni comme tête de pont pour une implantation de SMR en Europe. Suivant le projet américain, le projet au Royaume-Uni devrait aller à son tour vers la finalisation d’un site, la recherche d’un financement après accord des autorités de sûreté.

Comme son grand voisin du sud, le Canada nourrit des projets de SMR pour son immense territoire. Le pays y voit une solution pour remplacer les centrales vieillissantes au charbon de faible puissance, produire de l’électricité et de la chaleur pour l’extraction minière ou l’industrie lourde, remplacer les générateurs diesel fournissant du courant aux territoires isolés.

La Russie développe aussi des SMR généralement conçus pour être installés sur des barges flottantes. Sur une barge, le réacteur devient mobile et peut être déplacé au gré des besoins, par exemple si le site isolé voit son activité cesser. Une mobilité qui permet aussi de favoriser une installation dans un environnement contrôlé et adapté, tel un chantier naval, plutôt que sur un site isolé. Le concept des barges flottantes séduit aussi la Chine avec plusieurs projets. Par ailleurs, premier marché nucléaire au monde, la Chine développe plusieurs SMR à eau sous pression.

Non loin de là, le projet coréen SMART, démarré dès la fin des années 1990, est l’un des SMR précurseurs. Les Coréens sont déjà en discussion avec l’Arabie saoudite pour y construire deux réacteurs, notamment pour un usage de désalinisation.

Sources :
- NuScale, l’avant-garde des SMR américains, par Joël Guidez et Jean–Marc Capdevila - RGN Mars Avril 2017
- SMR le paradis des ingénieurs - Dossier de la RGN Juillet Août 2018