L'énergie nucléaire, pierre angulaire de la production de combustibles à faible teneur en carbone, est confrontée à ses propres défis en termes de disponibilité du combustible, de gestion des déchets et de perception du public.Les réacteurs à génération rapide (RBR) représentent une technologie potentiellement transformatrice qui pourrait relever ces défis en modifiant fondamentalement le cycle du combustible nucléaire. Contrairement aux réacteurs thermiques classiques, qui fissuration moins de 1 % de l'uranium naturel, les RBR sont conçus pour « produire » plus de matières fissiles qu'ils ne consomment, étendant la durée de vie utile des ressources en uranium de décennies à siècles. Cette capacité, combinée à la capacité de recyclage des combustibles usés, place les RBR comme une composante essentielle des stratégies énergétiques à long terme.

Qu'est-ce que les réacteurs rapides?

Les réacteurs à génération rapide sont une classe de réacteurs nucléaires fonctionnant avec des neutrons rapides, des neutrons qui maintiennent une énergie cinétique élevée sans être ralentis par un modérateur comme l'eau ou le graphite. L'absence d'un modérateur permet au réacteur d'utiliser un spectre de neutrons rapides, qui est plus efficace pour convertir des isotopes fertiles comme l'uranium-238 et le thorium-232 en isotopes fissiles (plutonium-239 et uranium-233, respectivement). Dans un modèle FBR typique, un noyau de plutonium-239 ou d'uranium hautement enrichi est entouré d'un « joint » d'uranium-238. Comme les fissions centrales, les neutrons rapides convertissent l'uranium-238 de la couverture en plutonium-239 qui peut ensuite être retransformé et utilisé comme combustible frais.

Deux options principales de refroidissement ont été développées pour les FBR : le sodium liquide et, moins couramment, le plomb ou le bismuth eutectique. Les réacteurs rapides refroidis au sodium (RFS) sont les plus matures, avec plusieurs prototypes et unités commerciales construites au cours des six dernières décennies. Les réacteurs rapides refroidis au plomb (RLS) offrent des avantages potentiels tels qu'un point d'ébullition plus élevé et une réactivité chimique réduite avec l'eau, mais ils font face à des défis de matériaux.

La science derrière les réacteurs rapides

Spectre de neutrons rapides et rapport de reproduction

Dans les réacteurs à eau légère classiques (REL), les neutrons sont ralentis par le modérateur vers les énergies thermiques (environ 0,025 eV) pour augmenter la probabilité de fission de l'uranium 235. Cependant, à ces énergies, la probabilité de capture d'un neutron dans l'uranium 238 (qui représente 99,3 % de l'uranium naturel) est faible. En revanche, les neutrons rapides (avec des énergies supérieures à 0,1 MeV) ont une probabilité beaucoup plus élevée d'être capturés par l'uranium 238, de le convertir en uranium 238, qui se décompose en plutonium-239 après deux bêta-désintégrations. Le spectre rapide réduit également l'accumulation d'actinides plus élevés (comme l'americium et le curium) qui contribuent à la radiotoxicité à long terme.

Cycle de combustible et retraitement

Le cycle de combustible fermé est une caractéristique de la technologie FBR. Le combustible usé extrait d'un FBR contient un mélange de plutonium, d'uranium et de produits de fission. Par retraitement (généralement à l'aide du procédé PUREX ou de méthodes pyrochimiques avancées), le plutonium et l'uranium sont récupérés et fabriqués en nouveaux éléments de combustible. Les produits de fission sont séparés pour élimination. Par recyclage, la quantité de déchets de haute activité qui doivent être éliminés géologiquement peut être réduite d'un ordre de grandeur par rapport au cycle de combustible utilisé une fois par la plupart des LWR. De plus, la radiotoxicité à plus long terme des déchets est réduite parce que les éléments transuraniques sont recyclés et éventuellement fissionnés.

Avantages des réacteurs rapides

Efficacité des ressources et sécurité des carburants

L'avantage le plus souvent invoqué par les FBR est leur capacité à extraire 60 à 100 fois plus d'énergie de l'uranium que des réacteurs thermiques. L'uranium naturel étant presque entièrement constitué d'uranium 238, qui est fertile mais non fissiles dans les réacteurs thermiques, les LWR actuels n'utilisent qu'environ 0,5 à 1 % du potentiel énergétique de l'uranium extrait. Les FBR, en convertissant l'uranium 238 en plutonium 238, font des 99 % restants des ressources disponibles pour la production d'énergie, ce qui étend les réserves connues d'uranium de 100 ans environ aux taux de consommation actuels à plusieurs milliers d'années.

Réduction des déchets de longue durée

Les FBR opérant dans un cycle de combustible fermé peuvent réduire considérablement le volume et la radiotoxicité des déchets nucléaires. Dans un cycle de combustible une fois terminé, le combustible usé contient du plutonium et des actinides mineurs qui restent dangereux pendant des centaines de milliers d'années. En recyclant ces matières, les FBR peuvent fissionner la plupart des éléments transuraniques, les transformer en produits de fission à vie plus courte.

Sécurité énergétique et réduction de la dépendance aux combustibles fossiles

Les réacteurs à génération rapide peuvent contribuer à la sécurité énergétique de plusieurs façons. D'abord, en utilisant de manière beaucoup plus efficace les ressources en uranium et en thorium, ils réduisent la vulnérabilité des pays importateurs d'énergie aux pics de prix ou aux perturbations de l'offre. Deuxièmement, les réacteurs à combustion continue peuvent être conçus pour fonctionner sur du plutonium recyclé provenant de stocks militaires, ce qui procure un avantage en matière de non-prolifération en consommant des matières de qualité militaire.

Défis et préoccupations

Coûts d'investissement élevés et viabilité économique

Les projets historiques, tels que le Superphénix français (1200 MWe) et le réacteur Clinch River Breeder, ont été entachés de dépassements de coûts et de problèmes opérationnels. Les conceptions modernes visent à simplifier les unités modulaires de plus petite taille (100 à 300 MWe) pour réduire les investissements initiaux, mais le coût des systèmes refroidis au sodium, y compris les boucles de sodium intermédiaires et les générateurs de vapeur, demeure élevé. De plus, la nécessité d'une usine de retraitement ajoute des dépenses en capital importantes.

Problèmes de sécurité et d'exploitation

Bien que les FBR fonctionnent à basse pression (contrairement aux LWR), ils présentent des préoccupations de sécurité uniques. Le sodium liquide, le liquide de refroidissement préféré, réagit violemment avec l'eau et l'air, posant des risques d'incendie et d'explosion. Les circuits de refroidissement du sodium doivent être strictement secs et exempts d'oxygène, et de multiples barrières sont nécessaires pour empêcher le contact entre le sodium et l'eau dans les générateurs de vapeur. Le coefficient de vide positif de certaines configurations de cœurs de FBR – où la perte de liquide de refroidissement peut augmenter la réactivité – doit être géré par des conceptions de cœur avancées et des dispositifs de sécurité passive.

Risques de prolifération

La propriété même qui rend les FBR attrayants, leur capacité à produire du plutonium, soulève également des préoccupations en matière de prolifération.Le plutonium produit dans les couvertures FBR est généralement de haute qualité (avec un pourcentage élevé de plutonium-239), adapté aux armes.Les installations de retraitement nécessaires pour séparer ce plutonium du combustible usé sont des technologies à double usage qui pourraient être utilisées à des fins abusives pour des programmes d'armes clandestines.La communauté internationale a répondu à ces préoccupations par des régimes de garanties et des mesures de surveillance de Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) – et en favorisant la conception de réacteurs qui comportent des éléments dissuasifs, tels que la colocalisation du retraitement avec le réacteur et l'utilisation de cycles de combustible résistant à la prolifération (p. ex., couvertures à base de thorium ou combustibles dénaturés).

Programmes de développement et de situation mondiale

Russie : Le leader mondial

La Russie a le programme FBR le plus avancé, avec des décennies d'expérience opérationnelle du BN-350 (au Kazakhstan, aujourd'hui désaffecté), du BN-600 et du BN-800, tous refroidis au sodium. Le BN-800 à Beloyarsk (789 MWe) est connecté au réseau depuis 2016 et est utilisé pour démontrer le recyclage du plutonium des réacteurs VVER-1000. La Russie construit actuellement le BN-1200 (1200 MWe) et a des plans pour le BREST-300, un réacteur rapide refroidi au plomb. L'approche russe met l'accent sur un cycle de combustible complètement fermé, y compris le retraitement commercial sur le site de l'Association de production de Mayak. Selon l'Association Nucléaire Mondiale, la Russie entend déployer des réacteurs rapides comme base de sa flotte nucléaire au milieu du 21e siècle.

Inde : Poursuite du thorium et du sentier des éleveurs

L'Inde a un ambitieux programme nucléaire en trois étapes qui repose sur les FBR comme deuxième étape. La première étape utilise des réacteurs à eau lourde pressurisés (PHWR) qui brûlent de l'uranium naturel. La deuxième étape concerne les FBR qui transforment le plutonium et l'uranium-238 du combustible usé de PHWR en combustible supplémentaire, et qui finissent par passer à une troisième étape des sélectionneurs de thorium-232. Le prototype de réacteur rapide de génération de l'Inde (PFBR) à Kalpakkam (500 MWe, refroidi au sodium) est presque terminé après des retards importants.

Chine : plans d'expansion rapide

La Chine, qui poursuit une construction nucléaire agressive, voit les réacteurs rapides comme un outil pour maximiser l'utilisation de l'uranium importé et réduire les déchets. Le réacteur expérimental chinois (CEFR, 20 MWe) est en activité depuis 2011. Un réacteur de démonstration plus grand, le CFR-600 (600 MWe), est en construction et devrait être opérationnel plus tard dans la décennie. La Chine prévoit de le suivre avec un CFR-1000 (1000 MWe) commercial et une flotte entière de réacteurs rapides d'ici 2030.

Autres pays : France, Japon et collaborations internationales

Le Japon a construit le prototype de Monju (280 MWe), qui a souffert d'une fuite grave de sodium en 1995 et n'a jamais été complètement exploité; il a été définitivement fermé en 2010. Toutefois, le Japon poursuit des recherches sur les réacteurs FBR par l'intermédiaire de l'Agence japonaise de l'énergie atomique (JAEA) et participe à des programmes internationaux. L'Union européenne et les États-Unis financent des recherches sur les technologies de pointe des réacteurs rapides, y compris les réacteurs rapides refroidis au plomb et au gaz. Le Forum international de la génération IV (GIF) inclut les réacteurs FBR comme l'un des six systèmes avancés de réacteurs à l'étude.

Le rôle des RAB dans la décarbonisation et la sécurité énergétique

Alors que le monde se dirige vers des émissions nettes nulles d'ici le milieu du siècle, l'énergie nucléaire est de plus en plus reconnue comme un complément nécessaire aux énergies renouvelables variables. Les réacteurs à génération rapide offrent des avantages uniques dans ce contexte : ils fournissent une énergie ferme, expéditable et à faible teneur en carbone, avec le potentiel de réduction considérable de la consommation de combustible et des déchets.

Les FBR jouent également un rôle dans le désarmement et la non-prolifération nucléaires en fournissant une utilisation pour le plutonium de qualité militaire excédentaire. Les États-Unis et la Russie ont poursuivi des programmes de combustible à oxydes mixtes (MOX) pour les réacteurs existants, mais les réacteurs rapides peuvent consommer plus efficacement le plutonium.

Perspectives d'avenir et collaboration internationale

L'avenir des réacteurs rapides dépend de plusieurs facteurs : le coût de l'uranium, la disponibilité de combustibles enrichis, la rigueur des politiques en matière de carbone et les progrès de la technologie des réacteurs.L'augmentation des prix de l'uranium et les dépôts à haute teneur en uranium s'épuisent, l'incitation économique à la reproduction devient plus forte.De nombreux experts croient que les réacteurs rapides deviendront finalement compétitifs sur le plan économique; la question est de savoir quand.

La collaboration internationale est essentielle pour partager les coûts élevés de développement et harmoniser les normes de sûreté et de résistance à la prolifération.Le Forum international de la génération IV (GIF) coordonne la recherche sur six conceptions de réacteurs, dont le réacteur rapide refroidi au sodium (SFR), le réacteur rapide refroidi au plomb (LFR) et le réacteur rapide refroidi au gaz (GFR). Le Portail de connaissances sur les réacteurs rapides d'AIEA fournit des ressources techniques et facilite l'échange d'informations.

À long terme, les réacteurs Fast Breeder peuvent devenir l'épine dorsale d'un cycle durable du combustible nucléaire, où les ressources en uranium et en thorium sont utilisées à leur plein potentiel, où les déchets sont réduits au minimum et où le risque de prolifération est géré par la maîtrise des armements et la surveillance internationale.

En résumé, les réacteurs Fast Breeder ne sont pas une solution à court terme pour la plupart des pays, mais pour ceux qui se sont engagés à utiliser l'énergie nucléaire comme outil de sécurité climatique et énergétique à long terme, ils offrent une capacité inégalée de fermer le cycle du combustible et de multiplier l'énergie provenant de l'uranium. Le défi du coût, de la sûreté et de la prolifération doit être relevé par une innovation soutenue, une réglementation rigoureuse et des partenariats mondiaux.