La puissance de l'atome : l'énergie nanonucléaire

Transparence du microréacteur Odin complet (Toutes les photos sont une gracieuseté de Nano Nuclear Energy)

La production d'électricité implique invariablement deux éléments : un combustible et un système capable de le convertir en énergie utilisable. Un générateur à combustible liquide ou gazeux bien entretenu peut avoir une durée de vie de plusieurs décennies, mais il nécessite toujours un approvisionnement constant et fiable en combustible, dont l'installation et la maintenance peuvent être coûteuses dans un endroit isolé.

Existe-t-il une alternative permettant de se passer d'un approvisionnement constant en combustible ? L'énergie solaire offre ce potentiel, mais en attendant que les panneaux photovoltaïques gagnent en efficacité, il faudrait disposer d'un parc de plusieurs hectares pour alimenter un important groupe électrogène à batterie. L'éolien est une autre possibilité, mais les turbines sont encombrantes et le vent lui-même ne peut être garanti.

L'énergie nucléaire alimente les réseaux électriques nationaux depuis des décennies. Elle résoudrait certainement le problème du ravitaillement, mais l'introduction de cette technologie sur le marché des micro-réseaux semble irréaliste. Pourtant, la commercialisation des microréacteurs est plus proche qu'on ne le pense. Nano Nuclear Energy (désignée sous le nom de Nano) est une entreprise qui prévoit d'intégrer la puissance de l'atome au marché des groupes électrogènes, tout en travaillant sur la fabrication et le transport du combustible nucléaire, ainsi que sur des services de conseil associés.

L'entreprise développe actuellement deux versions de microréacteurs : « Zeus » est un réacteur à batterie à cœur solide, et « Odin » est un réacteur à liquide de refroidissement basse pression. Chacun de ces modèles est conçu pour tenir dans un conteneur d'expédition standard.

James Walker, PDG de Nano, s'est entretenu avec Power Progress International au sujet de l'entreprise et de sa technologie. « Lorsque nous avons créé l'entreprise il y a quelques années, certaines entreprises développaient déjà des petits réacteurs modulaires ; le secteur des microréacteurs était beaucoup moins développé. »

James Walker, Nano-énergie nucléaire

Il a ensuite souligné que les microréacteurs seraient idéaux pour l'exploitation minière, le forage pétrolier et gazier et les bases militaires, mais aussi pour les secours en cas de catastrophe – essentiellement dans les cas où le diesel est actuellement la seule alternative, mais son approvisionnement est coûteux. « Parce que la seule concurrence est le coût du diesel isolé, qui est très élevé, pour disposer d'un système électrique qui n'a pas besoin d'être ravitaillé pendant 15 ou 20 ans. Cela rendrait ces systèmes très compétitifs », explique Walker.

Fission nucléaire 101

Pour revenir à l'idée initiale, il est évident qu'un microréacteur éliminerait tout besoin de ravitaillement. Mais comment produit-on l'électricité ?

Dans le réacteur, les atomes d'uranium 235 sont comprimés jusqu'à atteindre une masse critique. À ce stade, les neutrons libérés sous pression commencent à scinder les atomes d'uranium dans ce qui devient une réaction en chaîne auto-entretenue. C'est ce qui libère l'effet d'énergie positive.

L'intensité de la réaction en chaîne est contrôlée par des barres de contrôle. Celles-ci sont constituées de matériaux absorbant les neutrons, comme le bore, le cadmium, l'argent ou l'indium ; elles réduisent la quantité de neutrons libres pour ralentir la réaction.

« C'est un système très basique », explique Walker. « L'insertion des barres peut se faire à distance, ce qui évite à une personne possédant l'expertise technique nécessaire pour gérer un réacteur d'être sur place. La réglementation exige également au moins deux systèmes de secours redondants, ce qui signifie qu'il y a deux jeux de barres indépendants. »

Modèle d'affaires

Les microréacteurs ont été développés par des équipes de l'Université de Californie à Berkeley et de l'Université de Cambridge. Chacune visait des objectifs clés, explique Walker : « Il fallait un système transportable, pouvant être expédié par route, par train ou par bateau. Il devait également pouvoir se connecter rapidement au réseau électrique local ; sa mise en service ne nécessiterait aucune installation. »

Un autre élément de la conception était une surveillance minimale. Walker précise que très peu de personnel est nécessaire là où les systèmes sont déployés, se limitant probablement à la sécurité et à un mécanicien. « On n'aurait pas besoin d'un ingénieur nucléaire ou d'un physicien », ajoute-t-il. Un système de surveillance à distance est relié à chaque installation pour en vérifier les performances.

Microréacteurs Odin préparés pour le transport par camion

Lorsque les microréacteurs seront lancés, Walker s'attend à ce que la location soit le modèle d'utilisation privilégié. « L'achat, l'exploitation et le démantèlement d'un microréacteur susciteront peu, voire aucun intérêt. Certaines très grandes entreprises pourraient le faire, mais la plupart des clients voudront simplement acheter l'électricité. »

Certaines communautés isolées du nord du Canada survivent grâce à des générateurs diesel. Cela représente 800 personnes qui dépensent collectivement environ 10 millions de dollars par an en carburant. Si l'on considère la durée de vie de 15 ou 20 ans d'un microréacteur, cela représente 150 ou 200 millions de dollars en diesel. Un microréacteur peut être assemblé et livré pour une fraction de ce coût. Dans ce cas, nous savons que le modèle de location fonctionnera.

Il ajoute qu'il y aura une perte en capital au départ pour Nano, mais une fois cet investissement remboursé, le microréacteur générera un pur profit.

Production de carburant

Les deux versions de microréacteur utilisent du combustible à base d'uranium faiblement enrichi et à haute teneur (HALEU), qui serait produit par Nano puis transporté par la filiale Advance Fuel Transportation. L'entreprise est titulaire d'une licence exclusive pour un panier de transport de combustible HALEU breveté et de grande capacité, développé par trois grands laboratoires nucléaires américains.

HALEU Energy Fuel Inc. a été créée lorsqu'il est devenu évident que les chaînes d'approvisionnement existantes aux États-Unis ne seraient pas en mesure de fournir le combustible nécessaire. Une usine de fabrication intégrée est prévue à Oak Ridge, dans le Tennessee, pour l'enrichissement, la déconversion et la fabrication du matériau.

Nano s'est associé à LIS Technologies, qui assurera la partie enrichissement du traitement du combustible. Ce processus utilise un système laser pour séparer les isotopes d'uranium des isotopes indésirables et concentrer la matière collectée.

Walker explique que le combustible utilisé dans un microréacteur est le même uranium 235 (l'isotope fissile qui représente moins de 1 % de l'uranium total) que celui utilisé dans un réacteur de taille normale. La principale différence réside dans le fait que, dans un réacteur plus petit, il est préférable d'avoir un niveau d'enrichissement plus élevé.

Cela signifie que là où un grand réacteur à eau sous pression (REP) d'une centrale de la taille d'un gigawatt utiliserait du dioxyde d'uranium enrichi à moins de 5 %, le combustible HALEU est plafonné à environ 20 % d'enrichissement. À l'inverse, l'uranium de qualité militaire est pur à plus de 90 %.

« Le transport du combustible serait légèrement adapté, mais l'essentiel est qu'il ne soit pas plus dangereux », explique Walker. « Soyons clairs : un réacteur ne peut pas exploser. »

Dans la boîte

Comme indiqué précédemment, les microréacteurs développés par Nano sont conçus pour tenir dans un conteneur standard. Interrogé sur la possibilité que ce conteneur contienne des versions miniaturisées de tous les équipements d'un réacteur standard, Walker répond que le matériel est beaucoup moins complexe.

« Les réacteurs conventionnels utilisent tous de l'eau ; c'est un excellent caloporteur. Mais la température d'ébullition de l'eau est relativement basse et la chaleur produite par l'uranium est si élevée qu'il est nécessaire d'intégrer des pressuriseurs au système pour éviter le débordement », explique-t-il.

Impression d'artiste d'un microréacteur Odin situé sur une base militaire

Dans un réacteur de taille réelle, une défaillance du pressuriseur entraînerait la fusion du cœur. Dans un microréacteur, même en cas de défaillance de tous les systèmes de refroidissement, l'unité irradierait passivement la chaleur sans provoquer de fusion du cœur. Dans le pire des cas, le microréacteur cesserait de fournir de l'énergie utilisable au microréseau.

Walker : « Si un microréacteur était installé sur une base militaire et qu'il était touché par un missile, l'explosion rendrait le matériau moins radioactif. En effet, si le matériau sur lequel on compte pour créer la masse critique et la réaction en chaîne n'est plus contraint, l'uranium commencerait naturellement à refroidir et deviendrait moins radioactif. »

Obstacles réglementaires

Les États-Unis possèdent le programme nucléaire le plus ancien au monde. Walker affirme qu'au fil des décennies, l'industrie a développé une bureaucratie lourde qui a rendu l'énergie nucléaire produite aux États-Unis plus chère que partout ailleurs dans le monde.

La bureaucratie a également allongé le délai d'obtention des licences nécessaires pour faire passer un réacteur du prototype à la production commerciale. Pour compliquer encore les choses, le coût du processus est fixé par l'organisme de réglementation et peut devenir prohibitif.

Walker : « L’énergie nucléaire devrait, en théorie, être la forme d’énergie la moins chère au monde en raison de sa densité énergétique. Mais en raison des licences, du temps nécessaire, des coûts d’investissement très élevés et donc du financement, le coût est très élevé. Pour un réacteur standard, 70 % du budget est imputable aux coûts de financement. »

Walker souligne que si Nano obtient une seule licence, cela suffirait à couvrir la production des microréacteurs modulaires. Et grâce aux économies d'échelle, les coûts de capitalisation seront « considérablement réduits » par unité, rendant les systèmes plus abordables sur le marché libre.

De plus, en septembre 2024, le gouvernement américain a adopté l’Advance Act, qui vise à réduire les coûts de licence pour les technologies avancées de réacteurs nucléaires et à simplifier les autorisations, à réduire les frais et à réduire les délais.

« Cette réforme devrait contribuer à simplifier le processus d'autorisation », déclare Walker. « Appliquer un cadre d'autorisation standard à un microréacteur est non seulement excessif, mais de nombreux objectifs sont tout simplement inapplicables. Nous espérons donc que cela aboutira à un cadre clairement différent pour différents types de réacteurs. »

Actuellement, Nano est en phase de pré-autorisation, qui comprend le type de réacteur, la puissance de sortie et les dates de lancement prévues. Walker indique qu'une fois l'autorisation obtenue, l'entreprise commencera la construction d'un prototype fonctionnel du microréacteur en même temps que la demande officielle d'autorisation ; la loi Advance Act prévoit un délai maximum de 25 mois pour ce processus, date à laquelle Walker prévoit d'obtenir l'autorisation finale.

Démantèlement des microréacteurs

Une fois cette approbation reçue, les microréacteurs seront lancés aux États-Unis, mais Walker estime que les marchés les plus importants se trouveront dans les pays et les régions qui ont de lourdes opérations industrielles ou des populations dans des zones reculées avec peu ou pas d'infrastructures électriques.

Nous avons discuté avec les gouvernements d'Indonésie, de Thaïlande et des Philippines. Ces pays comptent des millions de personnes réparties sur des centaines d'îles et vivent toutes de générateurs diesel. C'est une tâche logistique complexe, très coûteuse et très néfaste pour l'environnement. Ils sont très enthousiastes à l'idée de microréacteurs ; des centaines de systèmes pourraient être déployés dans ces communautés.

Toutes les bonnes choses ont une fin et les microréacteurs devront un jour être démantelés. Walker explique que l'idée initiale était de décharger le combustible sur place et de laisser le réacteur pendant six mois, après quoi il serait prêt à être mis au rebut comme dispositif non nucléaire.

Mais le lancement du projet Pele par BWX Technologies a bouleversé ces plans. Dans ce cadre, une demande a été déposée pour autoriser le déplacement par route des réacteurs, qu'ils soient alimentés ou usés, ce qui permettrait de les démanteler dans un lieu dédié.

« Nous avons développé des technologies pour déplacer à la fois le combustible neuf et usé, mais il serait beaucoup plus facile d’insérer des barres de contrôle et de déplacer le réacteur là où nous pouvons gérer le processus de déchargement du combustible », explique Walker.

Cela ouvre également la voie à un microréacteur entièrement mobile – Nano a créé Advanced Fuel Transportation Inc. à cet effet. Concrètement, un microréacteur pourrait être déployé pendant cinq ans, les barres de contrôle étant insérées avant son déplacement. Walker : « Dans le cas de l'exploitation minière, le point final où l'énergie est nécessaire pourrait se trouver à des kilomètres de son emplacement d'origine. Déplacer le microréacteur serait plus facile que d'installer des câbles de transmission. »

Acceptation du marché

Il est clair que des événements tels que Three Mile Island (Harrisburg, Pennsylvanie) et Tchernobyl (Pripyat, Ukraine) ont marqué à jamais la perception mondiale de l'énergie nucléaire. Suite à la fusion partielle des réacteurs de la centrale nucléaire de Fukushima, au Japon, le gouvernement allemand a annoncé le démantèlement de toutes les centrales nucléaires existantes ; les derniers sites ont été mis hors service en 2023.

Microréacteur Odin sur un site à long terme

Walker affirme qu'une grande partie du problème réside dans l'écart entre la réalité et la perception du public. À Fukushima, où la technologie était plus ancienne, il a fallu les forces combinées d'un tremblement de terre et d'un tsunami pour compromettre la centrale. Même alors, le pire de la catastrophe a été contenu grâce à l'eau de mer. Après utilisation, l'eau était moins radioactive que la mer dans laquelle elle avait été déversée.

« Même à Three Mile Island, le pire accident aux États-Unis, personne n'a été tué et le deuxième réacteur de la centrale est toujours en activité aujourd'hui », souligne-t-il. « À Tchernobyl, les personnes qui ont quitté la zone après la catastrophe ont une espérance de vie inférieure à celles qui sont restées. »

« Si l’on considère la technologie dans son ensemble, le public doit comprendre qu’il est en réalité assez difficile de provoquer la fusion d’un réacteur nucléaire, quel qu’il soit. »

Une version complète de cet article sera publiée dans le numéro du premier trimestre 2025 du magazine Power Progress International