​Objectif décarbonation

Comment arriver en 2050 à un monde neutre en carbone tout en satisfaisant une demande en énergie qui ne cesse d'augmenter, poussée par la croissance démographique et l’urbanisation induite, et par la digitalisation galopante de nos pratiques et outils industriels ? D’abord en diminuant notre consommation globale d’énergie de 40 % par rapport à 2015, indique la Stratégie nationale bas carbone, par des actions d’efficacité et de sobriété énergétiques. Et en électrifiant massivement nos usages. RTE, le gestionnaire du réseau de transport d’électricité, estime notre consommation d’électricité en 2050 à 645 TWh contre 449 en 2020 dans son scénario de référence, passant de 25 à 55 % de notre consommation d’énergie1.

Mobiliser toutes les énergies bas carbone

« Nous sommes face à une demande gigantesque d’énergie décarbonée », prévient Jérôme Garcin, chef de la cellule valorisation des programmes énergie du CEA. Y répondre exigera non seulement la mobilisation de toutes les énergies bas carbone, nucléaire et renouvelables, et ce dès la décennie 2030 ; mais aussi de faire émerger puis d’industrialiser des solutions de rupture dans les technologies de production et de distribution d’énergie.

Car à la demande d’électricité, il convient aussi d’ajouter d’immenses besoins de chaleur décarbonée industrielle. Les aciéries, cimenteries, industries du verre ont par exemple besoin de très hautes températures, supérieures à 500 °C ; tandis que d’autres secteurs, métallurgie, papier, plastique, chauffage urbain, dessalement d’eau de mer ou encore textile, sont à la recherche de températures inférieures à 300 °C. Ces pans entiers de l’industrie sont très dépendants du gaz et restent difficiles à électrifier.
Ajoutons à cela la montée en puissance de la production d’énergies décarbonées, elle aussi consommatrice de chaleur et d’électricité : hydrogène, et à plus long terme, carburants de synthèse via la capture de CO₂ , pour l’aéronautique et le transport maritime.

Une vision intégrée de l'énergie

Pour absorber ce changement d’échelle, le CEA prône une vision intégrée du système énergétique, incluant plusieurs piliers interconnectés :

• production d’énergies bas carbone (nucléaire, renouvelables, hydrogène, carburants de synthèse…) ;
• solutions de flexibilité et de stockage pour compenser la variabilité des renouvelables, s’appuyant sur les batteries, mais aussi sur l’hydrogène ; 
• réseaux « intelligents » à même de traiter des flux importants de données en temps réel pour gérer les pics de consommation en fonction des énergies disponibles ; 
• le tout dans une logique d’économie circulaire des matières, allant des combustibles nucléaires aux matériaux critiques des composants électroniques (batteries, éoliennes, panneaux photovoltaïques).

Nous souhaitons porter toutes les options permettant d’atteindre la neutralité carbone au moindre coût pour la société et en renforçant notre souveraineté », résume Stéphane Sarrade, directeur des programmes énergies du CEA.

Dans ce mix, le nucléaire, une énergie pilotable, joue un rôle crucial. Mais il doit innover pour s’adapter à ces nouveaux besoins de décarbonation.

« 55 % d’électricité en 2050, c’est beaucoup, confie Stéphane Sarrade. Nous aurons besoin de plus de nucléaire de puissance, c’est le sens de la construction des EPR annoncée par le Président de la République. Et il sera complété par une nouvelle offre portée par des petits réacteurs nucléaires. Ceux-là viendront proposer des services complémentaires, totalement inédits pour la filière : de l’électricité locale aux territoires en synergie avec les énergies renouvelables, mais surtout de la chaleur pour les industries lourdes, la production d’hydrogène, etc. C’est une des facettes d’une vision intégrée de l’énergie ».

France 2030 est venu donner une impulsion à l’innovation en soutenant le développement de ces petits réacteurs (à fission ou à fusion).

« Le programme sollicite exclusivement de nouveaux entrants, au-delà des organismes historiques, souligne Stéphane Sarrade. Ceci pour pousser à l’émergence de nouveaux concepts, modèles économiques, écosystèmes industriels et modes de financement, typiquement portés par des modèles start-up ».

L'univers des petits réacteurs nucléaires

Les concepts de petits réacteurs nucléaires, qu’on appelle SMR (small modular reactor), AMR (advanced modular reactor) ou MMR (micro modular reactor) sont en rupture totale avec la philosophie des réacteurs de puissance.

L’idée sous-jacente, apparue aux États-Unis il y a une vingtaine d’années, a été de jouer sur l’effet de série pour abaisser les coûts d’investissement et de construction, plutôt que de viser une économie d’échelle par la taille du réacteur », explique Jean-Claude Garnier, en charge du programme de réacteurs de 4^e génération.

Ces petites centrales, dont la puissance s’échelonne entre 50 et 300 MWe ² , sont plus simples à construire grâce à une architectureallégée, sont fabriquées en usine par modules, faciles à transporter, puis à assembler sur site. Effet induit, leur sûreté est plus simple à mettre en œuvre, souvent de manière passive, s’appuyant par exemple sur la convection naturelle.

SMR et AMR se distinguent entre autres par leur technologie. Les premiers s’appuient sur celle bien connue, mature et maîtrisée, des réacteurs à eau (pressurisée ou bouillante), dite de 2^e et 3^e générations.

Trois réacteurs sur quatre dans le monde sont des réacteurs à eau pressurisée si bien que les premiers déploiements de SMR au niveau international sont attendus pour le début 2030.

Les AMR s’apparentent quant à eux à des technologies de 4^e génération : réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium, au plomb ou au gaz, réacteurs à sels fondus, à haute température, à eau supercritique. Plus disruptifs et moins matures, ils devraient se déployer ultérieurement, dans les années 2030. 

Les MMR, enfin, sont des versions miniatures des SMR et des AMR (1 à 20 MWe). Facilement transportables, ils visent d’autres
usages : remplacement de groupes électrogènes, transport maritime, zones isolées, spatial…

Assurer la souveraineté énergétique
à long terme

Tous ces modèles, ou presque, sont gréés pour de la cogénération : électricité décentralisée et chaleur. À ceci près que les AMR l’emportent sur les SMR en matière de température : jusqu’à 800 °C, versus un maximum de 250 °C.

« La plage de chaleur la plus demandée en Europe se situe entre
250 et 500 °C. Les AMR pourront répondre à d’immenses besoins
industriels de décarbonation », illustre Jean-Claude Garnier.

Ces AMR séduisent également pour leur capacité à fermer le cycle du combustible. En valorisant les matières nucléaires sans emploi (uranium appauvri, combustibles nucléaires usés, voire déchets ultimes, selon les concepts de réacteur), ils pourraient résoudre la question de l’indépendance énergétique, et réduire celle des déchets. « Les projections à l’horizon 2050 montrent une tensionsur l’uranium issu des mines. À cette date, ces réacteurs de 4^e génération ont une viabilité économique. Et en France, dans cette optique de cycle fermé, nous disposons d’un stock de matière nucléaire de plus de 5 000 ans », affirme Jérôme Garcin.

Le coût de l’énergie, devenu en moins d’un an un facteur critique pour les industries énergivores, est depuis venu s’immiscer dans l’équation. « La stabilité du coût de la ressource est indéniablement un argument fort en faveur du nucléaire, et bien davantage pour les AMR de 4^e génération, indique Guillaume Ravel, en charge des accords stratégiques à la Direction des énergies du CEA. Les industriels commencent à regarder les SMR non pas comme des éléments qui alimentent le réseau en électricité, mais pour en acquérir pour leurs propres besoins, adossés à leurs usines ».

Voilà pourquoi les SMR et AMR pourraient bien s’imposer dans le mix énergétique, en complément des énergies renouvelables. Non seulement pour remplacer des petites centrales à charbon ou à gaz, mais aussi pour répondre à ces nouveaux besoins de chaleur décarbonée, allant jusqu’à la production d’hydrogène et de carburants de synthèse.

La France a des atouts pour des petits réacteurs nucléaires

Signe de la pertinence de ces mini-centrales, l’engouement international qu’elles suscitent depuis une quinzaine d’années, notamment dans les pays anglo-saxons, en Chine, en Russie et au Japon. 

Pas moins de 70 concepts sont aujourd’hui à l’étude à des degrés de maturité et d’avancement inégaux. Ils sont portés à la fois par des exploitants historiques et des start-up – à l’image de Terra Power et de son fondateur Bill Gates qui a lancé le concept des AMR dans les années 2010 – et souvent soutenus par des financements importants. 

Dans la décennie 2010, le DOE, le Département de l’énergie américain, a investi plus de 1 milliard de dollars dans ces programmes. Ce mouvement s’étend désormais en Europe. Le SMR Nuward™, auquel contribue le CEA, prépare son déploiement à partir de 2030. Et l’appel à projets « réacteurs nucléaires innovants » de France 2030, ouvert du 2 mars 2022 au 28 juin 2023, a accéléré la R&D. Le CEA y joue un rôle central d’expert, en accompagnant les start-up candidates.

Dans cette compétition internationale, Stéphane Sarrade se veut
confiant : « la vraie réponse pour être dans le bon temps, c’est de faire trois choses à la fois : développer le concept de réacteur ; être en capacité d’intégrer le licencing ³ ; et maîtriser le cycle du
combustible (approvisionnement, enrichissement, transport, traitement et gestion des déchets). Les start-up aux États-Unis ont commencé il y a quinze ans et rencontrent des difficultés d’accès au combustible et à des ressources humaines compétentes. EnFrance, nous avons commencé plus tard, mais nous disposons d’un socle plus important. Notre force, c’est d’être en capacité d’aborder ces trois sujets avec la même temporalité. C’est cela qui nous fera gagner du temps ».