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Réacteurs de quatrième génération : une production durable ?

Dossier - Centrale nucléaire, présent et avenir
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Vingt-cinq ans après l'accident de Tchernobyl, assurément, la question du nucléaire divise toujours autant… Mais dans les faits, la filière, souvent décriée, a de nouveau le vent en poupe.

  
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En 2001, une dizaine de grands pays se sont regroupés, à l'initiative des États-Unis, afin de définir ce que sera la quatrième 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.

Pour remplacer le parc nucléaire, on réfléchit aux réacteurs de quatrième génération. © azurs.net

À l'initiative du Département américain de l'énergie à vu le jour le « Forum international Génération IV », dont l'objectif est de définir et développer des réacteurs de quatrième génération.

En plus du rendement énergétique accru et d'une réduction des déchets 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 cycle uranium/plutonium (U/Pu) 

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.

Le cycle thorium/uranium (Th/U)

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 Grenoble, 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.

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 quatrième génération de centrales nucléaires. © L. Médard/CNRS Photothèque/IN2P3

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 plateforme, baptisée Peren, pour étudier, entre autres, l'extraction des produits de fission et le retraitement des déchets. 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.

La quatrième génération : le réacteur Astrid

Début 2010, le directeur de l'énergie nucléaire au CEA (Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives), Christophe Béhar, a annoncé la construction d'un réacteur nucléaire de quatrième génération, appelé Astrid. Il sera construit à Marcoule, dans le Gard, la construction étant prévue pour commencer en 2017. 

Par Sebastián Escalón