Ci-dessous vous trouvez les trois chapitres introductifs du SPS Focus No. 1 dans une traduction française.
Génération d'énergie nucléaire
Progrès en fission, surgénération, et fusion nucléaire
Motivation
Aujourd'hui, l'énergie nucléaire fournit environ 10 % de la production mondiale d'électricité, contre 13 % en 2010. La production mondiale d'électricité a augmenté de 25 % au cours de la même décennie, ce qui signifie que la quantité absolue d'électricité produite par l'énergie nucléaire est restée pratiquement constante, avec seulement une légère baisse de 3 % en dix ans. En outre, de nouvelles centrales sont en cours de construction ou de planification et la part d'électricité produite par fission nucléaire dans le monde va recommencer à augmenter. Les énergies renouvelables (hydraulique, solaire, éolienne, géothermique, bioénergie, houlomotrice et marémotrice) utilisées pour la production d'électricité représentent 29 % de l'électricité totale produite en 2020, contre 20 % en 2010, l'hydroélectricité restant le principal contributeur. Les combustibles fossiles couvrent le reste et contribuent à 61 % de la production totale d'électricité dans le monde en 2020, contre 67 % en 2010.
Après la catastrophe de Fukushima il y a dix ans, de nombreux pays occidentaux ont décidé de sortir de l'énergie nucléaire, dont la Suisse. Le remplacement total de l'énergie nucléaire par des énergies renouvelables est l'objectif déclaré, tandis que le remplacement des combustibles fossiles pour la production d'énergie (transport, chauffage, production et fabrication, électricité, etc.) doit également être réalisé dans les prochaines décennies.
Même si ces problèmes peuvent être maîtrisés à l'avenir, l'approvisionnement continu en énergie renouvelable reste difficile et coûteux à réaliser, tant que le problème du stockage de l'énergie n'est pas résolu. C'est pourquoi des pays comme les États-Unis, l'Inde, la Chine, la France, le Royaume-Uni, la Finlande, etc. n'ont pas arrêté la production d'énergie nucléaire, mais ont au contraire conçu et construit de nouvelles générations de centrales nucléaires. Ils ont reconnu que les concepts modernes peuvent éliminer les problèmes des réacteurs nucléaires actuels et offrir une plus grande sécurité et de meilleurs rendements. En outre, ils peuvent éviter la production d'isotopes à longue durée de vie qui, autrement, resteraient sous forme de déchets nucléaires, et ils permettent également de réduire les déchets nucléaires existants à des niveaux tels qu'il n'y a plus aucun danger à long terme. Ces pays considèrent les technologies nucléaires comme des sources pertinentes de production d'énergie pour de nombreuses décennies à venir.
Il est essentiel d'être au courant de l'état actuel des technologies nucléaires par une information de première main. D'autant plus que les déchets nucléaires à vie longue existants doivent être pris en charge même après l'abandon de l'énergie nucléaire, et que ces nouvelles technologies ont le potentiel d’apporter une solution.
Les trois articles qui suivent, écrits par des auteurs éminents et respectés, décrivent l'état de l'art des centrales à fission d'uranium de nouvelle génération (par W Kröger), l'utilisation du thorium plutôt que de l'uranium comme combustible de fission (par M Bourquin) et enfin la feuille de route des concepts de fusion nucléaire (par L Porte).
Notre motivation, en tant que société nationale de physique, est de montrer que la technologie de la fission nucléaire n'est pas le produit des deux générations passées et qu'il s'agirait de ce fait d'une technique en voie d’abandon, de même que la technologie de la fusion n’est pas le produit de moult générations futures et qu’elle ne tient ainsi pas de l’utopie. La fission et la fusion sont toutes deux fondées sur une compréhension physique approfondie des processus sous-jacents et sont donc pertinentes pour contribuer à l’électricité mondiale de demain.
L'objectif d'une politique énergétique durable et globale doit être de considérer la production d'énergie renouvelable et nucléaire comme deux technologies équivalentes, qui, en raison de leurs différents concepts d'exploitation, se complètent avantageusement et assurent toutes deux ensemble un approvisionnement énergétique fiable, respectueux de l'environnement et rentable à l'avenir.
La non-réalisation des objectifs climatiques entraînera des catastrophes sans précédent pour l'écosystème de la planète entière, affectant toute forme de vie et impliquant la société dans son ensemble – au niveau mondial. Compte tenu de l'énorme tâche qui nous attend pour changer complètement les chaînes d'approvisionnement énergétique mondiales en quelques décennies seulement, toutes les options respectueuses du climat doivent être envisagées, y compris les concepts nouveaux et modernes d'utilisation sûre de l'énergie nucléaire.
| Deux importants groupes de réflexion américains ont récemment publié un rapport conjoint définissant une stratégie globale pour que les États-Unis deviennent le leader mondial de l'énergie nucléaire avancée. Selon eux, la stratégie décrit les activités nationales et internationales qui seront nécessaires pour que les États-Unis puissent être à la pointe du développement et du déploiement des technologies nucléaires de nouvelle génération grâce à la collaboration entre le gouvernement, l'industrie, la société civile et les autres nations. Et d'ajouter : "... Pour que les États-Unis - sans parler du monde - atteignent les objectifs climatiques du milieu du siècle, nous aurons besoin d'un éventail de nouvelles technologies énergétiques sans carbone, notamment des réacteurs nucléaires avancés pour la production d'électricité et de chaleur industrielle. Ce rapport établit un plan pour que l'Amérique devienne le leader mondial de cette industrie propre du futur."" |  |
Résumé éxécutif
Un juste équilibre entre la protection du climat, la fiabilité de l'approvisionnement énergétique, la rentabilité et l'opinion publique est nécessaire pour parvenir à une politique énergétique durable et globale. Cela demande aussi, en plus d’une production d'énergie décentralisée, à petite échelle, et respectueuse de l'environnement, de développer également de nouvelles grandes centrales électriques non fossiles sûres, respectueuses de l'environnement et économiques. Avec l'hydroélectricité et l'électricité éolienne, l'énergie nucléaire est l'une des plus faibles émettrices de gaz à effet de serre et de pollution atmosphérique, lors-que l'on considère son cycle de vie complet. Cependant, l'énergie nucléaire doit surmonter de nombreux obstacles bien connus, en termes de sécurité, de gestion des déchets et de non-prolifération. Ce défi peut s'avérer être une opportunité, car l'innovation nécessaire sera le moteur de la croissance économique.
La situation actuelle de la technologie nucléaire pour la production d'énergie est abordée dans trois articles.
Nouveaux concepts de réacteurs
Un haut degré de décarbonisation est nécessaire pour atteindre les objectifs ambitieux de protection du climat. C'est pourquoi certains pays se concentrent sur un mix énergétique qui inclut l'énergie nucléaire en plus de l'énergie éolienne et solaire. Pour y parvenir, les réacteurs nucléaires doivent être rendus inoffensifs, les combustibles doivent être mieux utilisés et les questions de stockage définitif et des risques de prolifération doivent être traitées en profondeur. C'est ce que promettent les concepts en cours de développement qui utilisent un gaz inerte, du plomb fondu, du sodium ou du sel comme réfrigérants caloporteur en lieu et place de l'eau, qui peuvent produire du combustible grâce aux neutrons rapides ou brûler des déchets (actinides). Les petits réacteurs modulaires (refroidis au gaz), adaptés aux réseaux électriques et aux modèles de marché modernes et qui seraient bientôt prêts à être commercialisés, semblent particulièrement intéressants.
Systèmes à base de thorium
Des systèmes innovants, basés sur le combustible thorium, sont en cours de développement dans différentes parties du monde. Destinés à contribuer à la protection du climat et à la réduction de la pollution atmosphérique, ils produiront de l'électricité tout en incinérant les déchets radioactifs accumulés par les anciennes centrales à fission encore en activité. Les cycles de combustible au thorium diffèrent des cycles de combustible à l'uranium classiques sur plusieurs aspects essentiels, qui résoudront à l'avenir les principaux problèmes des systèmes nucléaires de la dernière génération. Tout d'abord, le thorium est plus abondant et plus répandu que l'uranium. Le ThO2 est moins cher que l'UO2 sur le marché mondial et son prix ne devrait pas augmenter autant que celui de l'UO2. Ensuite, l'utilisation du thorium minimise la production de déchets nucléaires à longue durée de vie comme le plutonium, puisqu'il faut par exemple sept captures successives de neutrons pour produire du Pu-239 à partir de Th-232, une chaîne peu probable. Pour des raisons similaires, la production d'actinides mineurs est fortement supprimée, ce qui réduit la taille et la complexité des sites de stockage de déchets nucléaires à long terme. Troisièmement, dans un réacteur alimenté au thorium, la production d'U-233 fissile produit également de l'U-232 en petites quantités. L'U-232 se désintègre avec une demi-vie d'environ 70 ans en produisant continuellement du thallium-208, qui est un fort émetteur de rayons gamma. Les rayonnements intenses et la chaleur produite rendent la fabrication d'une arme nucléaire pratiquement impossible. Enfin, il est avantageux d'utiliser les combustibles au thorium dans un système piloté par accélérateur, où un accélérateur de protons produit les neutrons manquants nécessaires au maintien de la réaction en chaîne de fission. Lorsque le faisceau de l'accélérateur s’interrompt, la réaction s'arrête, ce qui procure un niveau de sécurité indéniable. Exposé à un spectre de neutrons rapides, le plutonium et les autres déchets nucléaires, mélangés au thorium, peuvent être brûlés (c'est-à-dire transmutés), ce qui permet d'éviter la présence d'isotopes radiotoxiques de longue durée de vie dans les déchets restants, qui ne nécessiteront donc pas de stockage à très long terme.
ITER - Une étape essentielle vers l'énergie de fusion
La fusion est le mode d'alimentation des étoiles. Sur Terre, les ressources en combustible de fusion sont quasiment inépuisables et uniformément réparties. Pour domestiquer la fusion sur Terre, nous devons reproduire les conditions de plasma chaud que l'on trouve dans les étoiles, en utilisant un confinement magnétique plutôt que gravitationnel. La réaction de fusion du deutérium et tritium ne laisse aucune cendre radioactive et ne repose pas sur une réaction en chaîne. Les neutrons qui s'échappent de la réaction donnent leur énergie aux éléments de la couverture qui entoure le plasma, dont la chaleur est extraite pour produire de l'électricité. Les neutrons induisent une certaine radioactivité secondaire, qui peut être réduite au minimum grâce à l'utilisation d'aciers à faible activation ne produisant pas d'isotopes à longue durée de vie et pouvant être recyclés en toute sécurité dans la chaîne de production d'acier normale après une centaine d'années, car il ne subsistera plus aucune radioactivité résiduelle. Aucun risque intrinsèque nécessitant l'évacuation de la population voisine n'a été identifié. La charge de combustible dans le plasma ne dure que quelques secondes, ce qui permet un contrôle total de l'opération et une possibilité d'arrêt immédiat en quelques secondes. La fusion ne produit pas de CO2. Les progrès réalisés au cours des dernières décennies ont été considérables et appellent maintenant à la construction de dispositifs plus grands pour l'étape suivante, afin de répondre aux exigences de confinement de plasmas en combustion. La tâche du projet international ITER, actuellement en construction dans le sud de la France, est de produire un gain net de puissance de fusion. Un défi considérable, dans la perspective du futur réacteur DEMO, premier véritable prototype de réacteur de fusion, est de dompter la puissance dégagée par le plasma - qui doit être relâchée de manière continue et répartie sur une grande surface - et de développer des matériaux résistants aux fortes charges thermiques et aux flux de neutrons. L'intérêt, l'attrait que suscite aujourd'hui le développement de la fusion dans le secteur privé, en parallèle des projets gouvernementaux comme ITER ou DEMO, constituent une preuve supplémentaire des attentes élevées placées dans la fusion.
Introduction
Les problèmes mentionnés de la technologie actuelle en fission et en fusion nucléaires mènent à la conclusion que ces deux technologies ne jouent qu’un rôle marginal dans un concept de solution énergétique à moyen et long terme. Mais est-ce un fait immuable ? Le réchauffement climatique nous oblige à rechercher de toute urgence des solutions à faible émission de carbone. La demande d'énergie sans CO2 et abordable continuera d'augmenter en raison de la numérisation, de la mobilité et du niveau de vie croissants d'une part toujours plus grande de la population mondiale. L'électricité devra être disponible en abondance et dans le monde entier, avec l'hydroélectricité, l'énergie solaire et l'énergie éolienne jouant un rôle important, et qui, avec les réacteurs nucléaires de nouvelle génération, contribueront efficacement à la satisfaction de la demande mondiale.
Trois concepts différents et complémentaires pour une utilisation sûre de l'énergie nucléaire sont discutés :
- Nouveaux concepts de réacteurs : Les réacteurs nucléaires doivent être prémunis contre les catastrophes, les combustibles doivent être utilisés plus efficacement et la question de la gestion des déchets et des risques de prolifération doit être résolue. C'est ce que promettent les concepts en cours de développement qui utilisent un gaz inerte au lieu de l'eau, du plomb, du sodium ou des sels fondus comme liquide de refroidissement, permettent l'utilisation du thorium, surgénèrent le combustible grâce aux neutrons rapides ou brûlent les déchets. Les systèmes de sécurité actifs, qui comportent un grand nombre de composants nécessaires tels que différents types de pompes et de vannes, nécessitant une alimentation en courant alternatif ou continu et des mécanismes d'actionnement fiables, peuvent être remplacés ou rendus superflus par des composants passifs ne reposant que sur les forces naturelles et des caractéristiques de sécurité intrinsèques, basées sur la physique, comme la convection naturelle, des mécanismes suffisants de transfert et de stockage de la chaleur et les propriétés fondamentales des matériaux. Les concepts de cycle du combustible appliqués permettent une utilisation plus efficace des ressources et réduisent les besoins en matière d'élimination des déchets de haute activité, y compris la séparation et la transmutation.
- Systèmes à base de thorium : La surgénération du thorium répond aux besoins de résistance à la prolifération, de cycles de combustible plus longs, de taux de combustion plus élevé, de caractéristiques améliorées des déchets, de réduction des stocks de plutonium et d'incinération des déchets radioactifs accumulés. Bien que l'énergie produite soit d'origine nucléaire, elle suit un processus physique complètement différent par rapport à la production actuelle d'énergie nucléaire à base d'uranium. Plus important encore, elle éliminerait la production de déchets nucléaires à vie longue, qui sont constitués d'éléments transuraniens, à savoir le plutonium et les actinides mineurs (neptunium, américium, curium...), qui sont responsables de la majeure partie de la radiotoxicité et de la production de chaleur du combustible nucléaire usagé. La durée de gestion des déchets peut ainsi être réduite, de plusieurs centaines de milliers d'années pour les centrales à fission conventionnelles à base d'uranium, à quelques centaines d'an-nées, ce qui est gérable à des coûts relativement faibles. Ce concept pourrait accompagner ou remplacer à terme les réacteurs nucléaires à l'uranium, dont quatre cents sont actuellement en service dans le monde.
- L'énergie de fusion nucléaire : Les réactions de fusion offrent un énorme potentiel pour la production d'énergie propre et durable à partir de ressources plus équitablement réparties, mais la démonstration de la viabilité technique et économique reste à faire. La fusion deutérium-tritium nécessite des températures 10 fois supérieures à celles de l'intérieur du soleil, soit environ 150 millions de degrés. Dans la fusion magnétique, le confinement est assuré par des champs magnétiques, avec des plasmas à haute température, typiquement à des pressions atmosphériques, et un temps de confinement de l'énergie de quelques secondes. Parmi les différents concepts de confinement magnétique explorés au cours des 50 dernières années, seuls deux dispositifs toroïdaux ont survécu, le tokamak et le stellarator. Le tokamak ITER, actuellement en construction en France, représente une étape essentielle vers la démonstration technique pratique de l'énergie de fusion. ITER se situe au seuil des conditions propices au fonctionnement d'une centrale électrique en charge de base (production en ruban), ce qui est conforme à l'objectif de minimiser l'incertitude physique dans le dispositif de l'étape suivante, qui serait une centrale électrique prototype.