Le paysage énergétique mondial évolue à un rythme sans précédent et avec lui vient le besoin urgent d'une puissance de base fiable et à faible intensité de carbone. Parmi les technologies les plus éprouvées pour répondre à cette demande, on trouve le réacteur à eau pressurisée (PWR), qui constitue l'épine dorsale des flottes nucléaires dans le monde entier depuis des décennies. Cependant, les méthodes de construction traditionnelles à base de bâtons pour les grandes centrales à PWR sont depuis longtemps en proie à des dépassements de coûts, à des retards de calendrier et à d'immenses besoins en capitaux. En réponse, l'industrie adopte un changement de paradigme : la construction modulaire.

Qu'est-ce que la construction modulaire dans les usines de PWR?

La construction modulaire dans le contexte des réacteurs à eau pressurisée va bien au-delà du simple préassemblage des tuyaux et des vannes. C'est une philosophie de conception et de fabrication intégrée où une centrale nucléaire est divisée en modules discrets, fabriqués en usine, qui contiennent des systèmes structuraux, mécaniques, électriques et de contrôle. Ces modules sont construits, testés et vérifiés en parallèle dans des installations hors site, puis transportés au chantier pour un montage rapide.

Pour une centrale PWR, l'approche modulaire touche tous les systèmes principaux. Le système de refroidissement du réacteur, les générateurs de vapeur, le pressurisateur et le réacteur peuvent être combinés en un seul module d'île nucléaire. Le bâtiment de confinement lui-même peut être construit à partir de grands segments d'acier ou de béton (souvent appelés «canons»).

Il est important de distinguer la construction modulaire de l'ancien concept de «réacteurs modulaires» comme les petits réacteurs modulaires (RSM), qui produisent généralement moins de 300 MWe. Ici, nous appliquons des techniques de construction modulaires à des usines de production de plus de 1 000 MWe, en tirant parti des gains d'efficacité de production en usine tout en conservant les économies d'échelle inhérentes aux grandes unités.Cette approche hybride – une grande puissance produite par des composants modulaires – est actuellement déployée dans des conceptions de réacteurs de pointe comme l'AP1000, le VVER-1200 et la Corée APR1400 en construction sur divers marchés mondiaux.

Avantages du design modulaire

Les avantages de la construction modulaire pour les installations de production de PWR ne sont pas seulement incrémentiels mais transformatifs.

Accélération du déploiement et de la construction plus rapide

La construction traditionnelle sur place d'un grand réacteur à eau chaude peut s'étendre de 7 à 12 ans. La construction modulaire peut comprimer cette échéance de 30 à 50 %. Comment? La fabrication en usine se fait-elle en même temps que les travaux civils. Pendant la préparation de la fondation, le réacteur à pression (RPV) et les générateurs de vapeur sont fabriqués à des tolérances finales dans une usine contrôlée par le climat. Ce parallélisme s'effondre sur le chemin critique. Par exemple, la conception AP1000 a initialement ciblé un calendrier de construction de 36 mois, du premier béton au combustible en tirant parti de plus de 200 modules structuraux majeurs et de nombreux modules mécaniques/électriques.

Amélioration du contrôle de la qualité et de la sécurité

Le travail en usine permet des processus de qualité cohérents et répétables. Le travail qualifié peut être maintenu en permanence, en effectuant les mêmes tâches avec des outils spécialisés, des gabarits et des protocoles d'inspection. Cela élimine une grande partie de la variabilité introduite par les équipes en constante évolution sur place, les conditions météorologiques et les conditions de terrain. La qualité de la soudure, par exemple, peut être vérifiée avec des essais ultrasoniques automatisés avant que le module ne quitte l'usine.

Écailabilité et capacité flexible

La scalabilité dans le contexte des centrales modulaires PWR prend deux formes. Premièrement, une seule centrale peut être conçue avec plusieurs modules de réacteur identiques. Un utilitaire peut construire une unité, commencer à produire de l'énergie, puis ajouter des modules supplémentaires plus tard que la demande ne le permet ou que le financement devient disponible. Cette stratégie de « construction » réduit le risque de capital initial par rapport au verrouillage dans les investissements multi-gigawatts. Deuxièmement, les systèmes individuels d'une centrale peuvent être améliorés ou remplacés par de nouveaux modules sur une durée de vie de 60 à 80 ans. Par exemple, un module générateur de vapeur peut être échangé pour une conception plus efficace lors d'une panne planifiée, évitant ainsi un arrêt complet de l'usine.

Rentabilité et prévisibilité

Bien que les coûts initiaux de l'ingénierie et de l'outillage d'usine soient importants, la construction modulaire améliore finalement la certitude des coûts. La main-d'oeuvre de l'usine est beaucoup plus productive que le travail de terrain, avec moins de retards dus aux conditions météorologiques ou à la logistique. La courbe d'apprentissage – répétition du même module – entraîne des coûts unitaires au cours d'un programme multi-usines. De plus, la capacité de financer la construction en phases (construire et exploiter un module avant de commencer le prochain) réduit le coût de transport du capital.

Considérations de conception pour les installations modulaires de RP

Le déploiement réussi de la construction modulaire d'une usine de production de papier à papier nécessite une planification minutieuse dès le stade de conception. Comme le dit la maxime, « vous ne pouvez pas coller-construire une usine modulaire. » Les considérations de conception suivantes sont essentielles.

Normalisation des modules

La normalisation est la pierre angulaire de l'efficacité modulaire. Chaque module doit être conçu en fonction de la répétabilité : interfaces identiques, dimensions cohérentes et séquences d'assemblage identiques. Il faut donc s'éloigner des conceptions uniques spécifiques à chaque site.Les organismes de réglementation comme la Commission de réglementation nucléaire des États-Unis (CNRC) et l'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) travaillent activement avec l'industrie à l'élaboration de cadres normalisés de délivrance de licences qui permettent de déployer une conception de module certifiée sur plusieurs sites sans re-licence. On parle souvent de « certification de conception » et de « conceptions d'usines normalisées ».

Transportabilité et logistique

Un module n'est utile que s'il peut être transporté en toute sécurité de l'usine au site du réacteur, ce qui impose des contraintes sévères sur la taille, le poids et la forme du module. Le transport routier est limité à environ 4,3 mètres de large, 5 mètres de haut et 30 mètres de long, avec des poids allant jusqu'à 100 tonnes selon les réglementations locales. Le transport ferroviaire permet souvent des longueurs plus longues mais impose des limites de poids plus strictes par essieu.

Intégration des interfaces et tolérances d'assemblage

Lorsque deux modules construits en usine se rencontrent sur place, leurs interfaces doivent s'aligner avec une précision extrême.Cela nécessite un système de gestion dimensionnelle qui permet de remonter chaque pièce à une seule référence de coordonnées. Toutes les brides d'accouplement, tuyaux, conduits électriques et connexions structurelles doivent être conçus avec des tolérances qui s'accumulent correctement sur plusieurs joints de modules. L'un des plus grands défis dans les projets nucléaires modulaires de premier plan a été la découverte de problèmes d'adaptation où les modules ne s'alignent pas comme prévu, ce qui entraîne des modifications coûteuses sur le terrain.

Sécurité et conception sismique

En fait, les connexions module à module doivent être conçues pour résister aux mêmes événements de base de conception (séismes de terre, impact d'aéronef, inondations extérieures extrêmes) qu'une structure monolithique.Il faut pour cela des connexions structurelles robustes, qui utilisent généralement des tendons précontraints, des boulons à haute résistance et des joints de béton, pour créer un confinement structurel continu.L'analyse sismique doit tenir compte du potentiel de déplacement différentiel entre les modules.Pour les réacteurs comme le VVER-1200 construit par Rosatom, l'approche modulaire comprend un système de double confinement avec la paroi intérieure construite à partir de blocs de béton armé préfabriqués qui sont soumis à des tensions post-tensionnés pour former une seule coque monolithique, répondant à la fois aux exigences de modularité et de sismique.

Défis et stratégies d ' atténuation

Malgré sa promesse, la construction modulaire introduit de nouveaux défis qui doivent être gérés activement.

Coûts d'ingénierie pour la première fois

Pour un RAP modulaire de premier plan (FOAK), ces coûts peuvent en fait dépasser les coûts de construction de bâtons traditionnels. L'analyse de rentabilisation repose sur la construction de plusieurs unités identiques (une stratégie de flotte) afin que la prime FOAK soit amortie sur les unités ultérieures. Les gouvernements et les services publics doivent s'engager à des programmes multi-installations pour atteindre la parité des coûts. Par exemple, l'Association Nucléaire Mondiale a documenté que le programme coréen APR1400 a réalisé des réductions de coûts importantes après les premières unités, en grande partie sous l'effet de la normalisation et de la fabrication modulaire.

Capacité de la chaîne d'approvisionnement et de l'usine

La construction d'une centrale modulaire à turbine à combustible nécessite une chaîne d'approvisionnement industrielle robuste, capable de produire des composants nucléaires de qualité supérieure et de grande taille selon un calendrier prévisible, ce qui comprend non seulement les réacteurs à pression et les générateurs de vapeur, mais aussi les modules en acier de construction, les armoires électriques, les racks de tuyauterie et les unités de CVC. La plupart des pays ne disposent pas actuellement de la capacité d'usine nécessaire pour assurer le déploiement rapide des centrales modulaires.

Approbation et inspection réglementaires

Les cadres réglementaires initialement rédigés pour les usines construites sur place ne permettent pas toujours d'accommoder gracieusement les modules construits en usine. Les inspections des soudures, des revêtements et des terminaisons électriques doivent se produire à l'usine, mais les régulateurs exigent souvent une vérification sur place. Cela a entraîné des inefficacités dans lesquelles les composants testés en usine sont démontés pour inspection. Pour résoudre ce problème, les régulateurs se tournent vers la certification « fondée sur la conception » et les inspections « point d'arrêt » qui peuvent être effectuées à l'usine avec des inspecteurs autorisés.

Études de cas : Plantes modulaires PWR en action

Le Westinghouse AP1000

Le AP1000 est peut-être l'exemple le plus connu d'un grand réacteur modulaire.Certifié à l'origine par le CNRC, le modèle comprend plus de 200 composants modulaires, y compris l'approche du « module structurel » pour le bâtiment de confinement. Le AP1000 utilise de grands modules en acier pour le bâtiment de confinement et les structures internes qui sont assemblés selon une approche du « bloc de construction ». Les premiers bâtiments aux États-Unis (unités de véhicules 3 et 4) ont connu des retards importants et des dépassements de coûts, en partie en raison de la courbe d'apprentissage FOAK et des travaux de réaménagement requis pour l'aménagement du module.

Le VVER-1200 de Rosatom

Le VVER-1200 russe est un autre grand modèle de PWR qui intègre une préfabrication modulaire importante. Le bâtiment du réacteur est construit à l'aide de grands blocs de béton armé (jusqu'à 300 tonnes chacun) préfabriqués dans une usine voisine et assemblés sur place comme de grands blocs LEGO. Cette approche a permis à Rosatom de réduire le temps de construction des unités Leningrad II et Novovoronezh II à moins de 5 ans pour les premières unités, avec des unités ultérieures projetées à 4 ans. L'approche modulaire du VVER-1200 s'étend au hall de turbine et aux bâtiments auxiliaires, en utilisant des «îles» normalisées qui peuvent être reproduites à différents sites.

Corée APR1400

La conception de la Corée APR1400 a été développée avec la construction modulaire comme principe de base. La conception utilise un ensemble standard de « super-modules » pour le confinement, bâtiment auxiliaire et bâtiment à turbine. Le succès du programme APR1400, avec 4 unités construites en Corée du Sud (Shin Kori, Shin Hanul) et des unités supplémentaires aux EAU (Barakah), est largement attribué à la combinaison d'un design entièrement normalisé et d'une chaîne d'approvisionnement interne mature. L'usine de Barakah aux EAU a atteint la première connexion de réseau d'unités en août 2020, à peine 8 ans après le début de la construction, un calendrier remarquable pour un PWR de 1 400 MWe.

Perspectives d'avenir : PWR modulaires de prochaine génération

Les enseignements tirés des projets modulaires de première génération de réacteurs sont maintenant intégrés dans la prochaine vague de conception de réacteurs. Des techniques de fabrication avancées telles que l'impression 3D de pièces métalliques, le soudage robotisé et l'assemblage automatisé sont en mesure de réduire encore les coûts et d'améliorer la qualité.

Sur le plan réglementaire, le CNRC et d'autres autorités élaborent des processus de « pré-licence » pour les modules normalisés, afin qu'une usine puisse construire un module certifié sans avoir besoin d'une approbation spécifique au site, ce qui permettrait de « délivrer des licences par conception » et de « produire en série » de modules nucléaires, tout comme l'industrie aéronautique certifie qu'un moteur est utilisé sur n'importe quelle cellule.

De plus, le concept de « centrales nucléaires transportables » (TNPP) gagne en traction, où tout un module de RAP, y compris le noyau du réacteur et le système de refroidissement primaire, pourrait être construit, alimenté et scellé dans une usine, puis transporté par barge ou rail vers un site côtier pour y être installé, ce qui réduirait la construction nucléaire sur place à presque zéro, ce qui révolutionnerait la vitesse de déploiement.

Enfin, l'intégration des PWR modulaires avec les systèmes d'énergie renouvelable (solaire, éolienne) et le stockage de l'énergie est à l'étude. Une flotte de PWR modulaires, produisant chacun environ 1 000 MWe, pourrait être exploitée en mode de suivi de la charge, fournissant la charge de base flexible nécessaire pour stabiliser les réseaux avec une forte pénétration des énergies renouvelables.

Conclusion

La construction modulaire est une approche transformatrice et axée sur la production pour la construction de centrales à réacteur à eau pressurisée. En déplaçant une grande partie du travail d'un chantier humide et imprévisible vers un plancher d'usine sec et répétable, l'industrie peut atteindre un déploiement plus rapide, une meilleure qualité et une meilleure prévisibilité des coûts.

Des modules structuraux de l'AP1000 aux anneaux de béton préfabriqués du VVER-1200 et aux supermodules de l'APR1400, la preuve est que la construction modulaire n'est pas seulement une option mais une nécessité pour la prochaine génération d'usines PWR. Les décideurs, les entreprises de services publics et les entreprises d'ingénierie doivent s'engager à appliquer des stratégies basées sur la flotte et à moderniser la réglementation pour libérer tout le potentiel de cette méthodologie.