DES PETITES CENTRALES NUCLÉAIRESMODULAIRES, ÉVENTUELLEMENTNOMADES : UTOPIE OU AVENIR ?

Bernard BoninCommissariat à l’Energie Atomique

Direction de l’Energie NucléaireDirection Scientifique

La tendance générale : malgré Fukushima, le nucléaire se développe dans le monde (on a besoin de toutes les énergies). A l’échelle de la planète, les coups de frein allemand et japonais sont des mouvements minoritaires.

Avec le renchérissement du prix des hydrocarbures (sauf gaz) et les préoccupations liées au changement climatique et au gaz à effet de serre, de nombreux pays (y compris émergents) sont tentés par l’option nucléaire. Quels réacteurs seront employés?

DES PETITES CENTRALES NUCLÉAIRES MODULAIRES, ÉVENTUELLEMENT NOMADES : UTOPIE OU AVENIR ?

Réacteurs électrogènes existants : pourquoi sont-ils “gros”?

Petits réacteurs

Historique Conception Aspects industriels Aspects financiers Utilisation possibles

Perspectives de développement Les projets dans lemondeLes projets français

Plan

DES PETITES CENTRALES NUCLÉAIRES MODULAIRES, ÉVENTUELLEMENT NOMADES : UTOPIE OU AVENIR ?

EVOLUTION DE LA PUISSANCE DES RÉACTEURS À EAU ÉLECTROGÈNES

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

1980 1990 2010

MWé

La tendance générale : les puissances unitaires croissent

Cependant, on a vu récemment arriver aussi des réacteurs de moyenne puissance, mieux adaptés aux besoins modérés de certains pays

Ex : EPR (1650 MWé) → ATMEA (1000 MWé)

Y a t-il une taille optimale pour les réacteurs nucléair es du futur ?

N4 EPRP4

STRUCTURE DES COÛTS DU NUCLÉAIRE

16.55.1

4.3

0.6 2.0

Investissements

Exploitation

Combustible

R&D Exploitant

Taxes

TOTAL = 28.4 € /MWh

Le coût d’investissement est dominant dans le coût du kW h

58%

7%2%

15%

18%

RÉACTEURS ÉLECTROGÈNES ACTUELS : POURQUOI SONT-ILS “GROS”?

Coût du KWé installé en fonction de la puissance : A + B * Puissance 0.7

A = 200 M€ et B = 21.26 (si P est exprimé en MWe)

Variation avec la puissance

0

500

1 000

1 500

2 000

2 500

3 000

3 500

4 000

4 500

5 000

0 500 1000 1500 2000

Puissance (MWe)

Coû

ts d

'inve

stis

sem

ents

(M

€)

Le coût d’investissement dépend assez peu de la puissance.

→ l’effet de taille favorise les réacteurs de grande puissance.Ex : le passage de l’AP 600 à l’AP 1000 entraîne un surcoût de 15% à la construction

pour un gain de puissance de 85%.

Réf. H. Safa

UN EXEMPLE DE GROS RÉACTEUR : L’EPR

La taille des réacteurs actuels rend obligatoire leur construction sur site.

Les gros réacteurs sont-ils la seule voie possible pour le développement du nucléaire?

Construction de l’EPR

(Olkiluoto, Finlande,

2009)

LA PHYSIQUE N’INTERDIT PAS LES RÉACTEURS DE PETITE PUISSANCE

Des réacteurs nomades de petite puissance ont été développés depuis longtemps pour la propulsion navale (porte-avions, sous-marins, brise-glaces). C’est même comme cela que les réacteurs à eau ont commencé leur carrière.

Les équations de la neutronique sont (pratiquement) linéaires. Pour déterminer la puissance d’un réacteur, le concepteur peut jouer sur deux paramètres principaux :

Choix de la masse de matière fissile

Choix du flux de neutrons.

La puissance maximale extractible d’un coeur est limitée par la densité de puissance évacuable. Quel que soit le caloporteur, on aurait du mal à évacuer plus de quelques GW/m3.

LES PETITS RÉACTEURS HTR : LE GERME DES RÉACTEURS MODUL AIRES

L’histoire des réacteurs HTR (très résumée)

AVR, Jülich (1966-1988)

GT-MHR (General Atomics),

PBMR (ESKOM) (1995-)

Avec une puissance réduite, les réacteurs

HTR deviennentintrinsèquement sûrs.

Avec une turbine à gazindividuelle, les

réacteurs HTR se prêtent bien à la modularisation.

Le premier réacteur HTR modulaire réalisé : HTR-10 (Chine)

First criticality 12/2000Reactor thermal power MW 10Primary helium pressure MPa 3Helium inlet temperature oC 250/300Helium outlet temperatureoC 700/900

� Expériences & Démonstrations

� Performances

�Simulation d’accidents

� Couplage à la turbine à gaz

�Applications industrielles

II

HTR10 → HTR-PM (2010)

UNE FLORAISON DE CONCEPTS DE PETITS RÉACTEURS “SMR”

SMR : (Small Modular Reactors) Définition officielle (AIEA) : P<300 MWé

Quelques exemples :

Réacteurs à eauMPOWER (Babcock) 125 MWéNuscale (Babcock) 45 MWéSMR200 (Westinghouse) SMART (KAERI, 100 MWé)HOLTEC

Réacteurs à gazPBMR (Westinghouse)MHTGR, GTMHR (General Atomics)EM2 (General Atomics)HTR-PM (Chinergy) (2*105 MWé)

Réacteurs rapides à métaux liquidesHypérion 25 MW rapide UN fuel, refroidi au Pb Bi4S (Toshiba)PRISM (GE Hitachi)Travelling Wave Reactor (Terra Power)SSTAR (rapide au plomb, transportable)

Réacteurs à sels fondusMSR (Fuji)

AVANTAGES/INCONVÉNIENTS DES DIFFÉRENTES FILIÈRES

Réacteurs à eau

Réacteurs à gaz (haute

température)

Réacteurs rapides à métaux liquides

LES PETITS RÉACTEURS : UNE VIEILLE IDÉE

Quatre réacteurs de 11 MWé chacun fonctionnent depuis 1976 à la centralede co-génération de Bilibino (Sibérie).Ces réacteurs graphite-eau bouillante produisent à la fois de l’électricité et del’eau chaude pour le chauffage urbain, pour un coût inférieur à l’alternative« combustibles fossiles ».

LES RUSSES CONSTRUISENT DÉJÀ !

Deux petits réacteurs à eau de brise-glaces 2*35 MW (Constructeur : Rosatom) embarqués

Barge Akademik Lomonosov L = 144 m l = 30 m Double coque,

W = 21 000t.

Démarrage fin 2013, destination Vilyuchinsk (Sibérie)

AKADEMIK LOMONOSOV

Lancement le 30 Juin 2010 à St Pétersbourg

AKADEMIK LOMONOSOV

Une Centrale Nucléaire flottante possède de bons atouts écologiques : il suffit de l’acheminer sur place, de l’installer puis de la retirer une fois sa période

d’exploitation terminée. Elle ne laisse alors aucune trace dans l’environnementlocal.

Fournir de l’électricité et du chauffage urbain à une villedu grand Nord sibérien

QUELQUES EXEMPLES DE PROJETS DE SMR POUR EN MONTRER LA VARIÉTÉ : NUSCALE

REP

45 MWé

Construction en série en usine,

modules transportés sur

site tout assemblés

Générateurde vapeur

intégré dansla cuve

Refroidissement du coeur par convection

naturelle

Cuve immergée

QUELQUES EXEMPLES DE PROJETS DE SMR POUR EN MONTRER LA VARIÉTÉ : RÉACTEURS À EAU :

EX : MPOWER (B ET W)

On simplifie la conception en intégrant le générateur de vapeur dans la cuve

Réacteur enterré

Sûreté passive (le système de refroidissement de secours n’est pas nécessaire)

Durée de construction 3 ans

P=125 MWé

Transport du coeurpréfabriqué sur

site par rail

T cycle = 5 ans

(renouvellementcoeur entier)

Quelques exemples de projets de SMR pour en montrer la variété : FLEXBLUE

SMR ET RÉACTEURS À EAU : DES RÉACTEURSSIMPLIFIÉS

Les points communs à tous les concepts :

Sûreté passiveRéacteur enterréGénérateur de vapeur intégré dans la cuve

QUELQUES EXEMPLES DE PROJETS DE SMR POUR EN MONTRER LA VARIÉTÉ : RÉACTEURS RAPIDES EX : 4S (TOSHIBA- WESTINGHO USE)

RNR sodium 10 MWé combustible métallique U-Zr ou U-Pu-Zr

Durée de cycle 30 ans (!)

Conception simplifiée. Pas de circuit intermédiaire, GV double

paroi

Réflecteurs mobiles pour contrôlerla réactivité du coeur

Réacteur enterré

Sûreté passive

Durée de construction 3 ans

Partenariat pour installer le premier exemplaire à Galena (Alaska)

Coeur

Pompeélectromagnétique

Echangeurs de chaleur et turbine à vapeur

4S = Super Safe Small and Simple

SMR ET RNR. RÉACTEURS “BATTERIE ”

Petits réacteurs et neutrons rapides : une association séduisante.

Neutrons rapides → fort taux de régénération de la matière fissile : lescycles de renouvellement du combustible peuvent être très longs→ouverture du coeur tous les 5 à 10 ans, voire 30 ans pour certainsconcepts. Cette caractéristique se marie bien avec l’idée de petitsréacteurs éloignés.

Si le coeur est assez petit pour être transporté entier, les opérations dechargement-déchargement, et de maintenance pourraient être faites enusine. Pas besoin d’infrastructures locales.

La petite taille des coeurs SMR résout le problème du coefficient devidange du RNR sodium.

INTÉRÊT DES PETITS RÉACTEURS

PETITS RÉACTEURS : UNE SÛRETÉ PLUS FACILE À ASSURER TECHNIQUEMENT

Un rapport surface/volume de coeur important →

Refroidissement efficace

L’évacuation passive de la puissance résiduelle est possible par convection

naturelle : pas besoin de systèmes de refroidissement de secours.

Beaucoup de fuites de neutrons→ coefficient de réactivité négatif en cas de

vidange du caloporteur (intérêt dans le cas de l’option RNR sodium).

Une petite puissance → En cas de fusion du coeur, la quantité de coriumproduite serait faible → facile à refroidir, peu de dégâts → peut-être pas besoinde récupérateur de corium

Ces avantages en matière de sûreté peuvent amener à une conception simplifiée.

AUTORISATIONS ADMINISTRATIVES POUR CONSTRUIRE ET EXPLOITER LES SMR

DC = design certification

COL= autorisation de construction et d’exploitation

L’appel d’offre américain en cours a abouti à sélectionner deux projets (MPOWER et NUSCALE), pour financer pour partie sur fonds publics le design et le licensing

de ces deux SMR.

Nous sommes loin du but : la plupart des demandes d’autorisation n’ontmême pas encore été déposées.

ASPECTS INDUSTRIELS

Modularité

Standardisation, effets de série

On peut envisager de mutualiser les infrastructures nucléaires pour plusieurs modules (ex : manutention, contrôle-commande).

Construire en usine, transporter sur site par camion ou par barge. Que peut-on gagner avec l’effet de série?

Combien coûterait une voiture construite à l’unité et assemblée sur le parking?

j7

Diapositive 26

j7 plutot en petite sériejc600271; 10/09/2012

LES PETITS RÉACTEURS MODULAIRES ET L’EFFET DE SÉRIE

X est le facteur d’apprentissage. La valeur moyenne industrielle est de 85% (c'est-à-dire que le coût d’une série est réduit de 15% à chaque fois que l’on double la production).

α=N

CC 1

N 2x

ln

ln−=αCoût de construction d’une unité si série de N unités

Variation avec le nombre de réacteurs (effet de sér ie)

0

1 000

2 000

3 000

4 000

5 000

6 000

0 20 40 60 80 100

Nombre d'unités

Coû

ts d

'inve

stis

sem

ents

(M

€)

-100%

-90%

-80%

-70%

-60%

-50%

-40%

-30%

-20%

-10%

0%

Réf : H. Safa

LES SMR SERONT-ILS COMPÉTITIFS GRÂCE À UN EFFET DE SÉRI E?

Combinaison effet de taille / effet de série

90 000

100 000

110 000

120 000

130 000

140 000

150 000

0 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600

Puissance unitaire (Mwe)

Coû

t tot

al (

M€)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

Résultat : l’effet de taille l’emporte sur l’effet de série. Les petits réacteurs ne remplaceront probablement pas les gros pour produire l’électricité en base d’un pays industrialisé. Mais il reste peut-être des marchés de niche pour les petits

réacteurs.

Réf. H. Safa

j8

Diapositive 28

j8 je pense que le marché ne sera pas qu'un marché de niche

cf le modèle américain qui prend en compte un large déploiement de SMR sur le sol américain et à l'étanger compte tenu des contraintes de réseau mais

aussi et surtout économiques (remplacement notamment des centrales au charbon)jc600271; 10/09/2012

COÛT DES PETITS RÉACTEURS MODULAIRES

Comparable au coût d’investissement overnight des grosses unités, mais les estimations ci-dessous (qui varient d’un facteur 1 à 5) sont probablement irréalistes. On

ne saura pas le coût des SMR si on ne construit pas!

ASPECTS FINANCIERS

Avec les SMR, l’investissement reste prépondérant mais :

Délais de construction réduits (Gain de 10 à 15 % sur les intérêts par la réduction du temps de construction (3 ans pour un SMR contre 5 à 6 pour un gros réacteur).

Besoins en capitaux et risques financiers réduits.

Investissement étalé dans le cas de la construction de plusieurs modules sur le même site.

Intérêts intercalaires réduits.

Début de retour sur investissement relativement rapide.

UTILISATION DES PETITS RÉACTEURS MODULAIRESUN MARCHÉ FONDÉ SUR LA FLEXIBILITÉ

Dans les pays où le nucléaire est déjà implanté, on peut mettre plusieursmodules sur le même site (construits successivement, selon les besoins, avecmutualisation d’infrastructures comme la manutention ou le contrôle-commande).

Facilité d’insertion de petits modules dans un réseau électrique, surtout sicelui-ci est de petite taille.

Avec plusieurs modules, on peut faire tourner la maintenance et éviter leseffets néfastes sur le réseau de l’arrêt d’une grosse unité.

Un seul module à la fois dans les endroits isolés (centres urbains de pays endéveloppement, sites industriels isolés).

UTILISATION DES PETITS RÉACTEURS MODULAIRESUN MARCHÉ DE NICHE FONDÉ SUR LA CO-GÉNÉRATION POUR DES

BESOINS URBAINS

Co-génération possible :

électricité-chauffage urbain dans les régions du Nord; (un réacteur de 200 MWé peut fournir de l’électricité pour une ville de 100 000 habitants et aussi chauffer la ville (réseau d’eau chaude, 4 kWth par habitant).

électricité-dessalement d’eau dans les régions du Sud (un réacteur de 200 MWé peut fournir de l’électricité pour une ville de 100 000 habitants et dessaler l’eau nécessaire à la ville (50 m3/an et par habitant, 5 kWh/m3).

UTILISATION DES PETITS RÉACTEURS MODULAIRESUN MARCHÉ DE NICHE DANS LES PAYS ÉMERGENTS

Les petits réacteurs modulaires ouvrent une possibilité de leasing dans des pays émergents, surtout s’ils sont nomades : la compagnie étrangère apporte le réacteur tout construit, l’exploite avec son personnel et s’occupe de tout, y compris du cycle du combustible. Une nouvelle forme d’exploitation du nucléaire?

Jusque là, l’exploitation nucléaire était sous le contrôle des états. Un nouvel exemple de colonialisme industriel? Quid du contrôle de sûreté? Restera-t-il du ressort des autorités locales?

RaffineriesExtraction de pétroleTransformation du charbon en hydrocarbures liquidesPétrochimieGaz industriels, en particulier hydrogèneEngraisSidérurgie (2 t CO2 / 1 t acier)

Utilisation des petits réacteurs modulaires Un marché de niche pour des applications industrielles spécifiques

L’INDUSTRIE PÉTROCHIMIQUE BRÛLE UNE PARTIE DE SON P RODUIT DE BASE POUR FOURNIR DE LA CHALEUR DE PROCÉDÉ…

Bilan des flux dans une raffinerie typique (180 000 barils/jour)

RaffineriePRODUITS RAFFINES :

10 000 000 t/an

Combustion

liquides

Combustion gaz

Brut : 10 550 000 t/an

CO2 : 1 730 000 t/an

RAFFINERIE « PROPRE », AVEC APPORT DE CHALEUR NUCLÉAIRE

RAFFINERIEPRODUITS RAFFINES :

10 000 000 t/an

HTR 500 MWth @

600°C

Combustion gaz

Brut : 10 100 000 t/an

CO2 : 350 000 t/an

Fourniture vapeur HTR :

450 000 t/an de brut économisées

1 380 000 t/an CO2 évitées

Raffineries (50-100)

NOMBRE DE RÉACTEURS MODULAIRES HTR POTENTIELLEMENTUTILISABLES DANS L’INDUSTRIE PÉTROCHIMIQUE

Engrais / ammoniac (100+)

Petrochimiel (150)

Coal-to-Liquids (100s)

Extraction sables et schistes bitumineux (200+)

1 Million Tonnes CO2/an évitées pour chaque réacteur de 500 MWth utilisés en remplacement du gaz naturel

PEUT-ON, DOIT-ON METTRE DU NUCLÉAIRE PARTOUT?

Les petits réacteurs multiplient les endroits où le nucléaire pourrait s’implanter…mais multiplient aussi les endroits à contrôler, y compris dans des endroits où le contrôle est difficile.

Protection physique, non prolifération : les petits réacteurs ont des avantages et des inconvénients.

Avantages : peu de manipulations de matières radioactives sur site → risques de détournement réduits, mais : Inconvénients : difficile d’assurer une protection civile efficace sur des sites nombreux et éloignés. Vulnérabilité face au terrorisme.

LES DIFFICULTÉS

Le coût du kWh des petits réacteurs est probablement élevé. L’effet de série réussira-il à battre l’effet de taille? Pas évident…

Pour bénéficier d’un effet de série, il faudrait avoir de nombreuses commandes…qui ne viendront que si la compétitivité économique est assurée. Les clients potentiels ne se bousculent pas. Comment amorçer la pompe?

LES PETITS RÉACTEURS MODULAIRES : UN INTÉRÊT CERTAIN DANS DE NOMBREUSES PARTIES DU MONDE; DES POLITIQUES EN

FAVEUR DES SMR

“SMRs represent a whole new area where America can regain its leadership role and export our technology and, as such, they represent a very unique and important opportunity for us. In particular, the SMRs of light water reactor technology build upon our expertise from small Navy nuclear reactors and represent a near-term,

high technology growth industry for the U.S.” — Senator George V. Voinovich (R-OH)

INTÉRÊT INTERNATIONAL POUR LES SMR

• USA : le DOE finance la recherche avec les industriels (450 M$), la NRC préparele processus de certification.

• Japon : les industriels s’impliquent (Toshiba, Hitachi).

• Corée : création du consortium KEPCO-KAERI, décision attendue de construction d’un SMR.

• Chine : 2 protos HTR en construction.

• Russie : On construit déjà des réacteurs industriels!

• France (Avril 2012) : Le Conseil de Politique Nucléaire a suscité le montage d’un partenariat CEA, AREVA, DCNS, EDF pour un programme d’étude de faisabilitétechnico-économique sur 2 ans. 2 voies explorées : SMR terrestres et SMR embarqués.

Avantage au premier entrant…

CONCLUSION

Il y a une grosse “barrière de potentiel” à franchir avant que les communautés scientifique, industrielle, financière et politique se mobilisent conjointement pour déployer les petits réacteurs nucléaires. Mais si elles y parviennent, le nucléaire civil en sortira transformé.

ANNEXES

DIRECTION DE L'ENERGIE NUCLÉAIRE

| PAGE 43

UN PETIT RNR-SODIUIM : PRISM

DIRECTION DE L'ENERGIE NUCLÉAIRE

| PAGE 44

TRAVELING WAVE REACTOR (TERRA POWER)

DIRECTION DE L'ENERGIE NUCLÉAIRE

| PAGE 45

NUCLÉAIRE : DES PERSPECTIVES CONTRASTÉES DANS LE MONDE

USA 2 +2 New builds

FINLAND 1+2 new reactors

R en

Nuclear

KOREA5 new builds

INDIA 6 new builds

JAPAN

CHINA 26 new builds

FRANCE 1 new EPR reactor

Taishan1&2 (China) / CGNPC by 2013 & 2014

Germany, Switzerland

Belgium

Russia 11 New builds

LES RÉACTEURS À NEUTRONS RAPIDES RÉSOLVENT LE PROBL ÈME DES RESSOURCES ET PERMETTENT UN CYCLE DU COMBUSTIBLE PL US PROPRE

REL 1GWe

Dans les réacteurs rapides, le plutonium est constamment consommé et régénéré.

Les RNR peuvent aussi brûler les actinides mineurs, évitant ainsi leur accumulation dans les déchets.

RNR 1GWe(isogénérateur)

150 t/an Unat 1-2 t/an 238U (U appauvri)

10 t Pu

COGÉNÉRATION ÉLECTRICITÉ-CHAUFFAGE URBAIN

0

500

1 000

1 500

2 000

2 500

3 000

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

0 50 100 150 200

Exe

rgy

(M

W)

Ele

ctri

c Ef

fici

en

cy ηη ηη

(%)

Temperature (°C)

Efficiency

Exergy

Actuellement, sur un REL, le rendement de conversion électrique est de 35% (seulement). Le reste de l’énergie est perdu. La récupérer pour le

chauffage urbain?

On sait maintenant transporter la chaleur basse température sur de très longues distances.

Certaines villes sont déjà équipées d’un réseau d’eau chaude

Paramètres principaux : température du condenseur (gouverne le rendement de conversion électrique) et diamètre de la

conduite d’eau chaude (gouverne la puissance de pompage nécessaire pour faire circuler

l’eau)

La chaleur gaspillée

actuellement par un réacteur nucléaire de 1GWé pourrait chauffer une ville de 1M d’habitants

Réf : H. Safa, IAEA meeting Prague, Oct. 2011

COGÉNÉRATION ÉLECTRICITÉ-DESSALEMENT D’EAU DE MER

Le dessalement d’eau de mer : une nécessité croissante pour les pays du Sud

(besoins pour la ville, et pour l’agriculture). On attend un triplement de la capacité dans les 10 ans à

venir.

Deux grandes techniques : la distillation (consomme de la chaleur) et l’osmose inverse (consomme de la

puissance de pompage, c.à.d. de l’électricité). Possibilité de mixer ces deux techniques. Coût

énergétique : 1 à 4 kWh/m3.

Un réacteur nucléaire de 1GWé pourrait satisfaire les besoins en électricité et en eau douce d’une ville de

1M habitants (50 m3/habitant et par an). Le coût énergétique de la production d’eau douce ne

représenterait que quelques % de la production du réacteur.

8 réacteurs nucléaires japonais font déjà de la cogénération électricité-dessalement.

Osmose inverse

Schematic of a multi-stage flashdesalinatorA – Steam in

B – Seawater inC – Potable water out

D – Waste outE – Steam out

F – Heat exchangeG – Condensation collection

H – Brine heater

COGÉNÉRATION ÉLECTRICITÉ-HYDROGÈNE-CHALEUR DE PROCÉDÉ : APPLICATION À L’INDUSTRIE PÉTROLIÈRE

Une raffinerie de pétrole (10 Mt/an) a besoin •D’électricité (150 MWé)•De chaleur (600 MWth)

•D’hydrogène pour la transformation d’hydrocarbures lourds (60 000t/an)

Actuellement, beaucoup de raffineries ont leur propre usine de production d’électricité (brûlant du pétrole) et d’hydrogène (par craquage du méthane).

Un petit réacteur nucléaire de 1200 MWth peut fournir tout cela, en économisant des hydrocarbures désormais précieux, et sans produire de CO2.

PEUT-ÊTRE UN MARCHÉ POUR LES PETITS RÉACTEURS?

Réf CUC team, AIEA