Des petites centrales nucléaires modulaires, éventuellement nomades : utopie ou avenir?

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1 Des petites centrales nucléaires modulaires, éventuellement nomades : utopie ou avenir? Bernard Bonin CEA Direction de l Energie Nucléaire Direction Scientifique 1

2 Des petites centrales nucléaires modulaires, éventuellement nomades : utopie ou avenir? La tendance générale : le nucléaire se développe (on a besoin de toutes les énergies) Avec le renchérissement du prix des hydrocarbures 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 pour ce redémarrage? N uclé a ire : des perspectives im portantes au plan m o ndial U S A P o w e r P lan ts b y in c lu d in g n u c le ar (> 5 0 G W e ) F IN L A N D 5 th re a c to r F R A N C E new E PR reactor K O R E A n u clea r c ap a city in c re as e + 9 G w e b y ~ C H IN A n u c le ar c ap ac ity in cre a s e > 3 0 G w e b y J A P A N n u c le a r c a p a city in c re as e + 21 G w e b y N u clea r R en IN D IA n u c le ar c ap ac ity in c re as e fro m 2.5 to 2 0 G W e b y

3 Des petites centrales nucléaires modulaires, éventuellement nomades : utopie ou avenir? Plan Réacteurs électrogènes existants : pourquoi sont-ils gros? Petits réacteurs Historique Conception Aspects industriels Aspects financiers Utilisation Perspectives de développement 3

4 Evolution de la puissance des réacteurs à eau électrogènes 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 nucléaires du futur? 4

5 Structure des coûts du nucléaire Investissements Exploitation Combustible R&D Exploitant Taxes TOTAL = 28.4 /MWh Le coût d investissement est dominant dans le coût du kwh 5

6 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 = (si P est exprimé en MWe) Coûts d'investissements (M ) Variation avec la puissance Puissance (MWe) Le coût d investissement dépend assez peu de la puissance. Réf. H. Safa 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%. 6

7 Un exemple de gros réacteur : l EPR La taille des réacteurs actuels rend obligatoire leur construction sur site. Construction de l EPR (Olkiluoto, Finlande, 2009) Les gros réacteurs sont-ils la seule voie possible pour le développement du nucléaire? 7

8 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). 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. 8

9 Les petits réacteurs HTR : le germe des réacteurs modulaires L histoire des réacteurs HTR (très résumée) AVR, Jülich ( ) GT-MHR (General Atomics), PBMR (ESKOM) (1995-) Avec une puissance réduite, les réacteurs HTR deviennent intrinsèquement sûrs. Avec une turbine à gaz individuelle, les réacteurs HTR se prêtent bien à la modularisation 9

10 Le premier réacteur HTR modulaire réalisé : HTR-10 (Chine) First criticality 12/2000 Reactor thermal power MW 10 Primary helium pressure MPa 3 Helium inlet temperature o C 250/300 Helium outlet temperature o C 700/900 I I Expériences & Démonstrations Performances Simulation d accidents Couplage à la turbine à gaz Applications industrielles HTR10 HTR-PM 10

11 Une floraison de concepts de petits réacteurs SMR SMR : (Small Modular Reactors) Définition officielle (AIEA) : P<300 MWé Quelques exemples : Réacteurs à eau MPOWER (Babcock) 125 MWé Nuscale (Babcock) 45 MWé IRIS (Westinghouse) (abandonné) SMART (KAERI, 100 MWé) Réacteurs à gaz PBMR (Westinghouse) MHTGR, GTMHR (General Atomics) EM2 (General Atomics) HTR-PM (Chinergy) (2*105 MWé) Réacteurs rapides à métaux liquides Hypérion 25 MW rapide UN fuel, refroidi au Pb Bi 4S (Toshiba) PRISM (GE Hitachi) Travelling Wave Reactor (Terra Power) SSTAR (rapide au plomb, transportable) Réacteurs à sels fondus MSR (Fuji) 11

12 Petits réacteurs dont le développement est bien avancé Nom Capacité Type Développeur KLT- 40S 35 MWe PWR OKBM, Russia VK MWe PWR Atomenergoproekt, Russia CAREM 27 MWe PWR CNEA & INVAP, Argentina IRIS MWe PWR Westinghouse-led, international mpower 125 MWe PWR Babcock & Wilcox, USA SMART 100 MWe PWR KAERI, South Korea NuScale 45 MWe PWR NuScale Power, USA HTR-PM 2x105 MWe HTR INET & Huaneng, China PBMR 80 MWe HTR Eskom, South Africa GT-MHR 285 MWe HTR General Atomics (USA), Rosatom (Russia) BREST 300 MWe LMR RDIPE, Russia SVBR MWe LMR Rosatom/En+, Russia FUJI 100 MWe MSR ITHMSO, Japan-Russia-USA 12

13 Les Russes construisent déjà! Quatre réacteurs de 11 MWé chacun fonctionnent depuis 1976 à la centrale de co-génération de Bilibino (Sibérie). Ces réacteurs graphite-eau bouillante produisent à la fois de l électricité et de l eau chaude pour le chauffage urbain, pour un coût inférieur à l alternative «combustibles fossiles». 13

14 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 = t. Démarrage fin 2012, destination à déterminer (Sibérie) 14

15 Akademik Lomonosov Lancement le 30 Juin 2010 à St Pétersbourg 15

16 Akademik Lomonosov Fournir de l électricité et du chauffage urbain à une ville du grand Nord sibérien 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 environnement local. 16

17 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 Générateur de vapeur intégré dans la cuve Refroidissement du coeur par convection naturelle Cuve immergée 17

18 Quelques exemples de projets de SMR pour en montrer la variété : réacteurs à eau : ex : mpower (B et W) P=125 MWé Transport du coeur préfabriqué sur site par rail T cycle = 5 ans 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 18

19 mpower 19

20 Quelques exemples de projets de SMR pour en montrer la variété : réacteurs rapides ex : 4S (Toshiba- Westinghouse) 4S = Super Safe Small and Simple 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 contrôler la réactivité du coeur Réacteur enterré Sûreté passive Durée de construction 3 ans Echangeurs de chaleur et turbine à vapeur Pompe électromagnétique coeur Partenariat pour installer le premier exemplaire à Galena (Alaska) 20

21 4S (Toshiba-Westinghouse) (vue d ensemble) 21

22 Intérêt des petits réacteurs Conception : Sûreté plus facilement assurée simplicité Aspects industriels : Modularité, standardisation, effets de série Aspects financiers : Délais de construction réduits Investissement réparti Utilisation : Souplesse d utilisation Utilisation locale; Nomadisme potentiel Intérêt pour les régions isolées Intérêt de la co-génération pour les besoins urbains Intérêt pour des besoins industriels spécifiques 22

23 Petits réacteurs : une sûreté plus facile à assurer techniquement Un rapport surface/volume de coeur important 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 corium produite serait faible facile à refroidir, peu de dégâts peutêtre pas besoin de récupérateur de corium Ces avantages en matière de sûreté peuvent amener à une conception simplifiée. 23

24 Autorisations administratives pour construire et exploiter les SMR Nous sommes loin du but : la plupart des demandes d autorisation n ont même pas encore été déposées. DC = design certification COL= autorisation de construction et d exploitation 24

25 SMR et Réacteurs à eau : des réacteurs simplifiés Les points communs à tous les concepts : Sûreté passive Réacteur enterré Générateur de vapeur intégré dans la cuve 25

26 SMR et RNR. Réacteurs batterie Petits réacteurs et neutrons rapides : une association séduisante. Neutrons rapides fort taux de régénération de la matière fissile : les cycles de renouvellement du combustible peuvent être très longs ouverture du coeur tous les 5 à 10 ans, voire 30 ans pour certains concepts. Cette caractéristique se marie bien avec l idée de petits réacteurs éloignés. Si le coeur est assez petit pour être transporté entier, les opérations de chargement-déchargement, et de maintenance pourraient être faites en usine. Pas besoin d infrastructures locales. La petite taille des coeurs SMR résout aussi le problème du coefficient de vidange du RNR sodium. 26

27 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? 27

28 Les petits réacteurs modulaires et l effet de série Coût de construction d une unité si série de N unités C N 1 = N Cα α = ln x ln 2 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). Coûts d'investissements (M ) Variation avec le nombre de réacteurs (effet de série) % Nombre d'unités -10% -20% -30% -40% -50% -60% -70% -80% -90% -100% Réf : H. Safa 28

29 Les SMR seront-ils compétitifs grâce à un effet de série? Combinaison effet de taille / effet de série 50% Coût total (M ) % 30% 20% 10% 0% Puissance unitaire (Mwe) Réf. H. Safa 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. 29

30 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! 30

31 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. 31

32 Utilisation des petits réacteurs modulaires Un marché de niche fondé sur la flexibilité Dans les pays où le nucléaire est déjà implanté, on peut mettre plusieurs modules sur le même site (construits successivement, selon les besoins, avec mutualisation d infrastructures comme la manutention ou le contrôle-commande). Facilité d insertion de petits modules dans un réseau électrique, surtout si celui-ci est de petite taille. Réacteurs déployables rapidement Avec plusieurs modules, on peut faire tourner la maintenance et éviter les effets 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 en développement, sites industriels isolés). 32

33 Utilisation des petits réacteurs modulaires Un 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 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 habitants et dessaler l eau nécessaire à la ville (50 m3/an et par habitant, 5 kwh/m3). 33

34 Utilisation des petits réacteurs modulaires Un 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? 34

35 Utilisation des petits réacteurs modulaires Un marché de niche pour des applications industrielles spécifiques Raffineries Extraction de pétrole Transformation du charbon en hydrocarbures liquides Pétrochimie Gaz industriels, en particulier hydrogène Engrais Sidérurgie (2 t CO 2 / 1 t acier) 35

36 L industrie pétrochimique brûle une partie de son produit de base pour fournir de la chaleur de procédé CO 2 : t/an Brut : t/an Raffinerie PRODUITS RAFFINES : t/an Combustion liquides Combustion gaz Bilan des flux dans une raffinerie typique ( barils/jour) 36

37 Raffinerie «propre», avec apport de chaleur nucléaire CO 2 : t/an Brut : t/an RAFFINERIE PRODUITS RAFFINES : t/an HTR C Combustion gaz Fourniture vapeur HTR : t/an de brut économisées t/an CO 2 évitées 37

38 Nombre de réacteurs modulaires HTR potentiellement utilisables dans l industrie pétrochimique Raffineries (50-100) Petrochimiel (150) Coal-to-Liquids (100s) Engrais / ammoniac (100+) Extraction sables et schistes bitumineux (200+) 1 Million Tonnes CO 2 /an évitées pour chaque réacteur de 500 MWth utilisés en remplacement du gaz naturel 38

39 Marchés potentiels pour les petits réacteurs modulaires 39

40 Peut-être un marché pour les petits réacteurs? r Réf CUC team, AIEA 40

41 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. 41

42 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. Comment amorçer la pompe? 42

43 Les petits réacteurs modulaires : un intérêt certain dans de nombreuses parties du Monde; des politiques en faveur des SMR Le DOE a débloqué 50 M$ en 2010 pour développer les 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) 43

44 Intérêt international pour les SMR USA : le DOE finance la recherche avec les industriels Japon : les industriels s impliquent (Toshiba, Hitachi) Russie : On construit déjà! Et l Europe dans tout ça? 44

45 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. 45