Les dix années à venir seront passionnantes pour la filière nucléaire, s'exclame Sylvain David, chargé de recherche à l'Institut de physique nucléaire d'Orsay (IPN)¹. Pour l'instant on en est encore aux polémiques sur son avenir, mais bientôt, les vraies décisions politiques et technologiques devront être prises. » En effet, en France, le parc de centrales nucléaires en fonctionnement va décroître à partir de 2020 et il faut d'ores et déjà prévoir son renouvellement. La communauté scientifique y travaille d'arrache-pied, tout en ayant à l'esprit les différents scénarios énergétiques possibles pour les décennies à venir : quels seront les besoins ? Le nucléaire va-t-il se développer dans les pays émergents ? Où en seront les cours de l'uranium ? Ces paramètres contraignent énormément le développement des nouveaux réacteurs nucléaires qui, ne l'oublions pas, doivent aussi être rentables.

 

 

La 3^e génération en marche

Ce ne sont pas moins de 19 centrales qui arriveront en fin de vie entre 2020 et 2030. Les réacteurs dits de 3^e génération prendront alors la relève, du moins partiellement. Les EPR, fruits d'un programme de recherche et développement (R&D) franco-allemand, font partie de ces nouveaux réacteurs. D'une puissance électrique de l'ordre de 1,6 GWe, ils s'inspirent des réacteurs N4 français et Konvoi allemands. Le premier de ces réacteurs est déjà en construction en Finlande. Le site de Flamanville (Manche) accueillera le premier EPR français, pionnier d'une éventuelle série. Ce passage de la deuxième à la troisième génération représente-t-il une vraie rupture technologique ? « Pas vraiment ! L'EPR est du même type que les centrales actuelles. Il s'agit d'un réacteur à eau pressurisée, utilisant l'énergie dégagée par la fission des noyaux d'uranium 235. Il y a, ceci dit, beaucoup d'améliorations, notamment au niveau de la sécurité », explique Sylvain David.

Construits sur un socle en béton de six mètres d'épaisseur et protégés par une double enceinte, elle aussi en béton, les EPR résisteraient, d'après les constructeurs, à un fort séisme ou à la chute d'un avion militaire. De plus, ces centrales disposeront de quatre systèmes indépendants pour assurer le refroidissement d'urgence du cœur. Les calculs de sûreté montrent que la probabilité pour qu'un accident majeur conduise à un rejet significatif de radioactivité dans l'atmosphère est dix fois plus faible avec les EPR qu'avec les réacteurs actuels. Par ailleurs, comparés à ces derniers, les EPR consommeront 17 % de combustible en moins et réduiront de 15 % la production de déchets radioactifs à vie longue.

Néanmoins, tous ces réacteurs ne consomment que l'uranium 235, qui représente à peine 0,7 % de l'élément chimique uranium, l'essentiel étant constitué par l'isotope 238, non fissile. Or, si le nucléaire civil se développe de façon importante dans le monde, se posera très crûment le problème des ressources en uranium. « Si la filière nucléaire reste au même niveau de développement qu'aujourd'hui, il y a des réserves d'uranium pour environ trois cents ans. Évidemment, si la demande en énergie nucléaire décuple, cela ne nous donne plus que quelques décennies », analyse Sylvain David. La solution viendrait alors de la 4^e génération de réacteurs, qui contrairement aux antérieures, utilisera tout le combustible nucléaire.

 

 

Vers une production durable ?

En 2001, une dizaine de grands pays se sont regroupés, à l'initiative des États-Unis, afin de définir ce que sera la 4^e génération de réacteurs nucléaires, dont la mise en service commencerait à l'horizon 2040. Parmi les critères de sélection : un rendement énergétique accru et une moindre production de déchets hautement radioactifs. Ces réacteurs doivent également diminuer drastiquement la consommation de combustible nucléaire. Pour cela, il faut qu'ils produisent leurs propres noyaux fissiles. Deux voies sont envisagées : le cycle uranium/plutonium (U/Pu) et le cycle thorium/ uranium (Th/U).

Le premier cycle correspond à une réaction en chaîne où un noyau d'uranium 238 (non fissile), en capturant un neutron, se transforme en plutonium 239, qui, lui, est fissile. Ce plutonium, frappé à son tour par un autre neutron, fissionne alors en libérant de l'énergie et des neutrons qui entretiennent la réaction. Le cœur serait refroidi non pas par de l'eau mais par du sodium, du plomb ou de l'hélium. Ce type de réacteur est aussi appelé régénérateur car il reconstitue le matériau fissile – plutonium 239 – qu'il consomme. L'idée d'utiliser cette réaction n'est pas neuve : c'est sur ce principe qu'a fonctionné Superphénix jusqu'en 1997. Mais ce prototype s'est avéré trop coûteux et complexe. Un réacteur régénérateur fonctionnant sur le cycle U/Pu devrait donc être considérablement amélioré.

Il existe un autre cycle de combustible potentiellement régénérateur sur lequel des laboratoires du CNRS, comme le Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (LPSC) de Grenoble², travaillent intensivement. Il s'agit du cycle du thorium, élément dont les réserves mondiales correspondraient au triple de celles de l'uranium ; dans cette réaction en chaîne, le noyau de thorium capture un neutron et se transforme en atome d'uranium 233, qui est fissile.

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© L. Médard/CNRS Photothèque/IN2P3

Détail de la plateforme Peren, du LPSC de Grenoble. Cet instrument dédié à la neutronique permettra aux chercheurs de valider les technologies pour les réacteurs à sels fondus, l'un des concepts retenus pour la 4e génération de centrales nucléaires.

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Le thorium est souvent associé à un réacteur d'un autre type, le réacteur à sels fondus (RSF), qu'il faudra mettre au point et qui aurait entre autres principaux avantages de réduire les quantités de certains déchets. Ici, le combustible nucléaire sera contenu dans le liquide du circuit de refroidissement qui entre et sort du cœur du réacteur. Ce liquide est constitué de sel fondu (mélange de fluorures de lithium, de thorium et d'uranium) qui, outre son excellente capacité à évacuer la chaleur, n'absorbe pas les précieux neutrons qui entretiennent la réaction. En sortant du cœur, il transmettra sa chaleur à un circuit secondaire chargé, lui, de faire tourner les turbines électriques. Point fort de ce procédé, le sel pourra être débarrassé en continu des produits de fission défavorables au maintien de la réaction en chaîne. « Les RSF utilisant le cycle du thorium possèdent des atouts majeurs, explique Christian Le Brun, directeur de recherche au LPSC. Par exemple, il s'agirait d'un nucléaire plus facile à gérer puisqu'il fabriquerait mille fois moins d'actinides mineurs³ que les réacteurs actuels. Or ces éléments induisent une très forte radioactivité à très long terme. »

Il existe néanmoins encore de nombreux verrous à lever avant de construire un prototype de réacteur à sel fondu. Il faut par exemple parfaitement connaître et contrôler les propriétés physiques et chimiques du sel. Le LPSC travaille notamment à mettre au point des méthodes pour le retraiter et en évacuer les produits de fission. « Pour l'instant, nous cherchons à démontrer la faisabilité d'un tel réacteur », admet Christian Le Brun. Dans cette optique, le laboratoire s'est doté d'une plate-forme, baptisée Peren, pour étudier, entre autres, l'extraction des produits de fission et le retraitement des déchets (voir Le journal du CNRS, n°162-163, p. 6). Si les réacteurs de génération IV voient le jour, quel que soit le principe retenu, le problème des ressources en combustible fissile ne devrait plus se poser. En effet, alors qu'une centrale actuelle consomme environ 200 tonnes de combustible par an pour une puissance de 1 GWe, les centrales régénératrices thorium/uranium ou uranium/ plutonium n'en consommeront qu'une seule. Elles sont l'une des voies les plus prometteuses pour répondre au problème de la production durable d'énergie.

Iter fait son chemin

Mais la communauté internationale a voulu voir plus loin encore pour disposer de sources d'énergie inépuisables. C'est dans cet esprit qu'a vu le jour un projet international (voir encadré) de très grande envergure baptisé Iter (International Thermonuclear Experimental Reactor). Le site de Cadarache a été choisi pour la construction de ce réacteur expérimental. Son objectif ? Démontrer que la production d'énergie par la fusion thermonucléaire est possible. La fusion est la source d'énergie des étoiles : en projetant les uns sur les autres, avec une très grande énergie, des noyaux de deutérium et de tritium (deux isotopes de l'hydrogène), on peut obtenir la fusion de ces deux noyaux, qui produit un noyau d'hélium et un neutron et libère une quantité colossale d'énergie.

Deux procédés permettent de déclencher la réaction thermonucléaire. Le premier consiste à porter à de très hautes pression et température un petit volume de matière grâce à un laser surpuissant. C'est la méthode du confinement inertiel, qu'explorera le laser Mégajoule en construction près de Bordeaux.

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© LPMIA UMR7040

Visualisation 3D de la turbulence dans un plasma de Tokamak obtenue à partir d'une simulation numérique.isualisation 3D de la turbulence dans un plasma de Tokamak obtenue à partir d'une simulation numérique.

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Sa construction va commencer cette année, et son exploitation scientifique débutera vers 2016. Si l'expérience réussit, une nouvelle machine, Demo, devra démontrer vers 2040 ou 2050 la faisabilité industrielle de la production d'énergie électrique par fusion thermonucléaire. Dans tous les cas, celle-ci ne deviendra pas une source d'énergie industrielle avant la fin de ce siècle.

Plusieurs laboratoires du CNRS sont impliqués dans le projet Iter. Les scientifiques qui y travaillent cherchent notamment à dompter un plasma agité de turbulences très difficiles à modéliser. Car on ne pourra pas exploiter cette énergie tant qu'on n'aura pas maîtrisé ces instabilités. « Iter, contrairement aux réacteurs expérimentaux construits depuis les années soixante, permettra de produire des décharges longues (de 5 à 10 minutes). Cette voie de recherche, ouverte par l'instrument Tore-Supra exploité depuis 1988 à Cadarache, permettra de valider, à l'échelle d'un réacteur, nos modèles et un certain nombre de choix technologiques », explique Roland Stamm, directeur d'un des laboratoires CNRS qui participent à Iter, le P2IM (« Physique des interactions ioniques et moléculaires »)⁴. Mettre au point les matériaux qui devront contenir ce soleil miniature est un autre défi : pour l'instant, il n'en existe aucun qui puisse résister longtemps au puissant bombardement de neutrons de 14 mégaélectronvolts (MeV) produits par la fusion. Par ailleurs, la production de tritium à partir d'atomes de lithium doit encore être développée. En somme, du pain sur la planche pour nos scientifiques, mais tout de même plusieurs décennies pour résoudre ces problèmes.

L'enthousiasme pour Iter n'est pas partagé par tous. Sébastien Balibar, directeur de recherche CNRS au Laboratoire de physique statistique de l'ENS Paris⁵, est l'un des critiques du projet. « Ma crainte est que les dépenses sur Iter se fassent au détriment d'autres secteurs de la recherche. Si un jour on produit de l'énergie par fusion nucléaire – ce qui n'est pas évident, vu les problèmes immenses qu'elle pose –, ce ne sera pas avant 2100. Or les problèmes du réchauffement global et de l'après-pétrole se poseront bien avant cette échéance. Je pense que cet argent aurait été mieux investi dans d'autres chantiers comme le développement du solaire, des matériaux économes en énergie ou des centrales nucléaires de 4^e génération. »

Mais la perspective, même lointaine, d'une énergie propre, inépuisable et peu dangereuse – la réaction de fusion s'arrêtant d'elle-même si on stoppe l'alimentation en combustible – a plus pesé que les critiques. Pour Pierre Bertrand, directeur adjoint du Laboratoire de physique des milieux ionisés et applications (LPMIA)⁶, qui participe à Iter⁷, « les recherches effectuées depuis plusieurs décennies ont montré les potentialités de cette voie qui offre un réel espoir de résoudre les problèmes énergétiques du monde entier. On n'a donc pas le droit de ne pas s'y lancer. Vu l'enjeu, la dépense, qui n'est pas si lourde puisque c'est un projet mondial, ne doit pas nous faire reculer. Ce n'est pas pour nous, bien sûr, mais pour les prochaines générations. »

Sebastián Escalón