Mai 2024 •

Les liens entre le nucléaire civil et militaire sont toujours aussi prégnants comme nous allons le voir.
C’est l’occasion d’aborder un projet au stade de concept :

Nuward, un SMR en papier.

En France, « TechnicAtome participe au projet EPR d’Hinkley Point C, et joue d’autre part un rôle central de concepteur dans les études amont du petit réacteur de production électrique SMR (ou Small modular reactor) en consortium avec EDF, le CEA et Naval Group » [CEA, 12/07/19]. Il s’agit du projet Nuward, une minicentrale composée de deux SMR à eau pressurisée de 170 MWe (540 MWth), une architecture de réacteurs dérivée de la propulsion du porte-avions Charles de Gaule comme on peut s’en apercevoir avec les schémas ci-dessous.

Dans le communiqué de presse du CEA présentant le projet Nuward, le Président directeur général de TechnicAtome a déclaré : « TechnicAtome conçoit, assemble et met en service des réacteurs nucléaires très compacts, plus de 20 depuis près de 50 ans ». Du côté de Naval Group, son Président directeur général a déclaré : « Depuis plus de 40 ans, Naval Group construit des sous-marins nucléaires et des porte-avions dont la propulsion est réalisée au moyen de petites unités de production d'énergie nucléaire » [CEA, 17/10/19].

Si les enjeux technologiques et industriels sont importants pour passer d’un réacteur de 150 MWth (K15) à 220/230 MWth (K22), qu’en serait-il pour un réacteur de 540 MWth (projet Nuward) ?

Le projet français Nuward est conduit par EDF. Extraits du Document d’enregistrement universel 2022 d’EDF Group : « Fin 2022, le Groupe a créé une filiale dédiée pour conduire la prochaine phase du projet NUWARD^TM, dite de basic design, qui débutera début 2023 et devrait se terminer fin 2026. Cette filiale NUWARD est détenue à 100 % par le Groupe. Elle continuera de bénéficier de l’appui des ingénieries d’EDF, du CEA, de TechnicAtome, de Naval Group, ainsi que de Framatome et de Tractebel » [EDF, 2023].

Il est envisagé qu’un bâtiment piscine semi-enterré abrite deux réacteurs à eau pressurisée « intégrés » d’une puissance unitaire de 540 MWth (170 MWe net – Rendement net 31,5%). Il utiliserait du combustible standard UO₂ (enrichissement en ²³⁵U « < 4,95% »). La réactivité serait contrôlée à l’aide de grappes de contrôle (absence de bore dans le fluide primaire, réacteur en puissance). Le cœur et ses barres de contrôle, le pressuriseur, les six pompes primaires et les générateurs de vapeur à plaques (6x90 MWth) seraient intégrés dans la cuve [AIEA, 2022]. A priori, deux autres générateurs de vapeur de secours auraient aussi leur place dans la cuve pour le refroidissement passif en cas d’accident.

Mensurations

Il existe une ambiguïté quant aux dimensions de la cuve. Le rapport de l’AIEA 2020 sur les SMR ainsi que la fiche Nuward disponible sur la base de données ARIS de l’AIEA présentent une cuve de « 13 m » de hauteur, « 4 m » de diamètre et une masse de « 310 tonnes » [AIEA, 2020 et aris.iaea.org/PDF/F-SMR_2020].

Cette masse de 310 tonnes pour la cuve vide (« empty ») est confirmée dans la version 2022 de l’AIEA mais les dimensions de la cuve ont changé : « 15 m de hauteur » et « 5 m de diamètre » [AIEA, 2022]. Il y aurait-il eu une évolution du design lors de la phase d’Avant-projet sommaire (APS) ?

La cuve (mensurations 2020) et les matériels annexes seraient enfermés dans une enceinte de confinement métallique de « 16 m de haut » et « 15 m de diamètre ». « La pression de conception est de l'ordre de 1,0 MPa [environ 10 bar], mais elle est inférieure à cette valeur ». A titre de comparaison, la pression de conception des enceintes de confinements des REP actuels est de l’ordre de 5 bar. Pour savoir si c’est un plus en termes de sûreté, il faudrait connaitre le volume libre de l’enceinte et la masse d’eau qui serait présente dans le circuit primaire afin d’estimer la mise en pression de l’enceinte lors d’un accident de fuite primaire par exemple. Ces données ne sont pas disponibles dans les maigres informations distillées par EDF.

Revenons au projet Nuward : « Dans des conditions d'exploitation normales, en dehors des périodes d'arrêt, l'enceinte de confinement [serait] maintenue isolée sans ventilation externe (circulation d'air interne uniquement). La pression de l'enceinte de confinement [serait] maintenue de manière statique à une valeur inférieure à la pression atmosphérique.

Avant d'ouvrir l'enceinte de confinement (par exemple pour préparer une période d'arrêt), une ventilation externe et un filtrage de l'air, ainsi qu'un renouvellement de l'air, [seraient] effectués. Aucun système mécanique d'évacuation de la chaleur ne [serait] nécessaire, car l'enceinte de confinement [serait] refroidie passivement par immersion dans la piscine externe, que ce soit dans des situations normales ou accidentelles ».

[aris.iaea.org/PDF/F-SMR_2020]

Chaque enceinte de confinement serait immergée dans un bassin de 25 m de côté. Le bâtiment semi-enterré abritant les enceintes des deux réacteurs (et une piscine à combustible irradié commune) aurait une superficie de « 3500 m² » [AIEA, 2022].

Les informations publiées sont parcellaires mais d’après notre estimation (avec l’aide d’Antoine Bonduelle), ce serait un large bâtiment de 75 m de longueur et de 47 m de largeur (3500 m²) pour « 44 m de hauteur » (dont 26 m en sous-sol) [Bonduelle, 19/04/24].

Densité surfacique de puissance

Avec une aire d’environ de 3000 m² selon notre estimation, le bâtiment des auxiliaires nucléaires viendrait compléter l’îlot nucléaire Nuward (6500 m²). Une représentation photoréaliste d’un exemple de projet Nuward est comparée avec le schéma d’implantation de l’îlot nucléaire d’une paire de tranches de 900 MWe (10 400 m²) comme on peut voir page suivante. Pour une superficie d’îlot nucléaire de 5200 m², une tranche de Tricastin (915 MWe net) par exemple, a une densité surfacique de puissance de 5,7 m²/MWe installé ; Nuward (340 MWe net) aurait une densité surfacique de puissance bien plus importante de 19,1 m²/MWe de puissance installée avec son îlot nucléaire de 6500 m².

Concernant la surface au sol du site Nuward, nous l’estimons à 9 ha, ce qui correspondrait à une densité surfacique de puissance de l’ordre de 265 m²/MWe installé. A comparer aux 150 m²/MWe du site de Tricastin (3660 MWe installés sur 55 ha).

Que penser alors de la communication grand public d’EDF ? « De par sa taille réduite, NUWARD SMR aura une emprise foncière (...) limitée ». Mais aussi : « NUWARD SMR nécessitera une surface au sol par unité d’énergie produite du même ordre de grandeur que le nucléaire grande puissance » [nuward.com].

Comparons l’énergie (en GWh) produite par unité de surface de l’îlot nucléaire d’une tranche de Tricastin (0,915 GW) avec celle que pourrait produire Nuward (0,340 GW) en une année (8760 h) et avec le taux de disponibilité de 90% espéré par les concepteurs du projet du "small" réacteur.

Tricastin : productible annuel 7200 GWh soit une densité surfacique énergétique de 0,7 m²/GWh (5200/7200).

Nuward : productible annuel 2680 GWh soit une densité surfacique énergétique de 2,4 m²/GWh (6500/2680).

Cela pourrait inciter à réfléchir sur l’attribut small.

Global Chance a publié un dossier comparatif de deux projets de SMR : le Nuward français et le NuScale américain [Global Chance, novembre 2023]. Vous y trouverez une analyse du concept de ces réacteurs.

Sûreté

Pour compléter le travail de Global Chance sur la sûreté du réacteur en projet, une présentation du CEA sur « Les enjeux des SMR et le projet NUWARD » donne une « vision sur les risques techniques » du « produit NUWARD^TM » (Cf. ci-dessous) :

« Le produit comprend 3 innovations majeures sur la chaudière pour atteindre les objectifs de performance (sûreté et production) et de densité énergétique du réacteur :

• Les Générateurs de Vapeur compacts (CSG)

• Les Mécanismes de Commande de Grappes (CRDM) immergés

• Le système de refroidissement passif (RRP) » CEA, 18/03/22].

Planning

Dans un communiqué de presse de juillet 2023, Nuward a annoncé « l’envoi à l’Autorité de sûreté nucléaire du Dossier d’Options de Sûreté de son SMR, marquant le début du processus de pré-licensing.

Le Dossier d’Options de Sûreté (DOS) est un document présentant les objectifs de sûreté, les caractéristiques de conception d’ensemble et les principes essentiels de fonctionnement et de gestion des risques » [Nuward, 21/07/23].

Le projet vient de terminer son Avant-projet sommaire (APS) ou Conceptual design (CD) pour aborder la phase d’Avant-projet détaillé (APD) ou Basic design (BD) avec six mois de retard sur la planning établi début 2022 (Cf. planning ci-dessous). La « Cible de 1^er béton de la centrale de référence en France en 2030 » risque d’être d’ores et déjà difficile à tenir [CEA, 18/03/22].

Lors d’un entretien fin 2023 avec Renaud Crassous, président de Nuward, même la Sfen paraît septique : « Comment avance le projet Nuward ? La date de 2030 pour lancer un chantier semble ambitieuse ». Réponse du boss : « 2030 est un calendrier très ambitieux. Mais ce n’est pas nous qui l’avons décidé au hasard. C’est un calendrier qui est dicté par le marché. Parce qu’aujourd’hui, tous les pays intéressés en Europe (République tchèque, Finlande, Grande-Bretagne, Suède…) visent un premier SMR entre 2031 et 2034 ». Ce serait-donc le marché qui dicterait la certification d’un réacteur... L’ASN, même new-look, pourrait avoir son mot à dire sur la validation des options de sûreté, notamment pour les innovations majeures du réacteur, au grand dam du marché.

Le patron de Nuward est tout de même conscient des risques du projet : « Il y a des sujets techniques à résoudre encore » comme nous venons de le voir. Il précise : « Pour les SMR, il y a deux moments délicats à passer. Le premier se situe entre le développement de la technologie et le premier projet, le « first of a kind » [tête de série]. Parce qu’il faut sécuriser le financement, le site, l’opinion publique. Le deuxième passage difficile est la perspective de série de réacteurs. On sait que la compétitivité des SMR viendra de l’effet de série, de la standardisation. C’est un travail qui doit être engagé d’ores et déjà par l’industrie, les pouvoirs publics, toutes nos parties prenantes » [Sfen, 5/12/23]. Un travail assurément de longue haleine et semé d’embuches comme par exemple sécuriser le financement sans connaitre le coût du projet.

Les coûts

Les coûts de construction de Nuward sont dans le flou comme le fait remarquer Global Chance : « Disons tout de suite que nous n’avons trouvé aucune information sur le coût de NUWARD, qu’il s’agisse de celui d’un premier prototype ou de celui d’un véritable SMR dont le réacteur serait fabriqué en série et en usine avant son transfert sur le site de la centrale.

On sait seulement que les promoteurs du projet estiment que « le développement du projet NUWARD SMR nécessitera des conditions financières, institutionnelles et réglementaires favorables » » [Global Chance, novembre 2023].

Même le patron de Nuward semble ignorer le coût de son projet. Renaud Crassous s’exprime dans La Revue de l’Énergie (mars-avril 2022) : « En matière de compétitivité, les objectifs annoncés par les développeurs pour les SMR les plus matures, de la génération III, les placent en bonne position parmi les moyens de production d’électricité décarbonée [sic]. Les cibles de coût overnight — la métrique la plus utilisée par les développeurs — sont entre 2200 €/kW et 6000 €/kW selon les modèles. (...). Il reste difficile de distinguer à ce stade, derrière les annonces des développeurs, les annonces marketing des cibles réellement atteignables » [La Revue de l’Énergie n° 661]. Certes Nuward n’est pas des plus matures mais, comme Renaud Crassous ne fait aucune annonce du coût estimé de son projet, il nous est difficile de distinguer à ce stade le montant réellement atteignable des investissements nécessaires au « first of a kind ».

Mais nous direz-vous, échaudé par les estimations fantaisistes des coûts de construction de l’EPR de Flamanville et des premières estimations de six EPR2 en projet, le Groupe EDF ne se hasarde peut-être plus dans des annonces marketing. A moins que l’électricien national ne sache tout simplement pas combien pourrait coûter l’aventure Nuward.

Ce défaut de chiffrage ne devrait pas gêner EDF parce qu’une pluie de subventions publiques ruisselle sur le pro-jet comme indiqué dans son Document d’enregistrement universel 2022 : « En décembre 2022, une subvention de 50 millions d’euros prévue dans le cadre du plan France 2030, a été attribuée par l’État français après avoir été notifiée et autorisée par la Commission européenne. EDF SA a encaissé cette subvention à hauteur de 45 millions d’euros sur l'exercice. Dans son discours du 10 février 2022 à Belfort, le Président de la République a annoncé une intervention supplémentaire de l’État à hauteur de 500 millions d’euros pour le projet NUWARD^TM » [EDF, 2023].

Dans une présentation sur Nuward auprès de Centrale-énergies, « un groupement professionnel inter-écoles Centrales » (HEC, Mines, Polytechnique et Sciences Po), EDF évoque les « multiples attentes à confirmer vis-à-vis des SMRs » et notamment : la « Compétitivité » avec « des cibles affichées de 2250 €/kW à 6000 €/kW (mais aucune démonstration à ce jour) » et la « Réduction du besoin d’investissement initial (de l’ordre du Milliard €) », ce qui reste bien vague [centrale-energie.fr].

Lors de l’annonce du projet de design de Nuward en 2019, Wolrd nuclear news indique que « La construction d'un réacteur Nuward SMR de démonstration est prévue pour 2030. La construction de cette unité devrait durer trois ans » [WNN, 17/09/19].

Comme on l’a vu dans le planning de développement de Nuward ci-dessus, les délais de construction sont désormais estimés à quatre ans et demi. Si les bâtisses nucléaires étaient construites suivant les plannings établis, la mise en service d’un prototype Nuward n’interviendrait qu’à partir de 2035. Si et seulement si...

En même temps, EDF prévoit sa « Commercialisation dès 2025 » [EDF]. Ça ne va pas être facile de trouver des clients eu égard aux dernières réalisations (EPR) d’EDF tant en termes de délais et de coûts de construction que de qualité. Les clients potentiels pourraient se méfier et attendre de voir l’évolution du développement du first of kind avant toutes décisions de commandes fermes.

La NEA affiche un bon niveau pour le critère Engagement comme on peut le remarquer dans le tableau de bord (Cf. ci-contre) mais ce ne sont pas des en-gagements fermes : « Depuis 2022, EDF a pris divers engagements, notamment par le biais d'accords de coopération et de lettres d'intention pour des études de faisabilité et pour explorer le déploiement possible du réacteur NUWARD SMR au Brésil, en République tchèque, en Finlande, en Italie, en Pologne, en Slovaquie et en Suède» [NEA/OECD, 2024].

D’autre part, pour commercialiser des bouilloires modulaires il faudrait créer un certain nombre d’usines pour fabriquer les divers modules. Mais pour engager la construction d’usines il faut un carnet de commande bien rempli comme indiqué dans un rapport de l'Office parlementaire d'évaluation des choix scientifiques et technologiques (OPECST) publié en 2021 sur le site Internet de l’Assemblée nationale : « la construction d’une tête de série dans le pays d’origine est une étape nécessaire, comme pour les grands réacteurs, mais elle ne sera pas suffisante. Pour les SMR, le passage à l’échelle industrielle, avec la construction d’une usine d’assemblage capable de fabriquer plusieurs dizaines d’unités par an, supposera de disposer assez vite d’un volume d’affaires significatif pour assurer sa rentabilité » [assemblee-nationale.fr]. Ainsi, pour qu’un seul modèle de SMR deviennent peut-être rentable, il faudrait être en capacité industrielle d’en construire plusieurs centaines par décennie.

Constat de la Sfen en 2024 : « Pour l’instant, l’Agence pour l’énergie nucléaire (AEN) ne constate aucun déploiement en série tel que le voudrait le modèle économique de ces petits réacteurs » [Sfen, 11/03/24].

Déchets nucléaires

Nous avons vu que Nuward n’était pas à son avantage pour son emprise foncière par rapport à un REP traditionnel. Il ne l’est pas non plus pour le rendement de l’installation (31,5% contre 37% affiché pour un EPR).

Qu’en serait-il des déchets nucléaires qui pourraient être produits si le projet aboutissait ? Le rendement plus faible d’un réacteur nécessite obligatoirement plus de fissions pour la même énergie électrique produite avec en conséquence plus de produits de fissions par unité d’énergie. Explications simplifiées avec l’uranium : la fission d’un atome de ²³⁵U crée deux atomes radioactifs (produits de fission), dégage une énergie d’environ 200 MeV (3,2x10¹¹ J) et émet deux ou trois neutrons. L’un d’entre eux va permettre la fission d’une autre atome de ²³⁵U afin d’entretenir la réaction en chaîne et les autres (1 ou 2) vont activer la matière et les structures environnantes. Lorsqu’une tonne de matière fissile (²³⁵U) a fissionné, elle a fourni une énergie thermique d’environ 24 TWh et produit, au défaut de masse près, un tonne de produits de fissions. Chaque TWh thermique produit ainsi 41,7 kg de produits de fission. Pour une énergie électrique d’un TWh injectée sur le réseau, le small Nuward produirait 132,3 kg de déchets nucléaires contre 112,6 kg pour un EPR.

Les réacteurs nucléaires génèrent aussi des produits d’activation créés par captures de neutrons dans le combustible nucléaire. Ce sont les transuraniens (ou actinides), classés dans la catégorie Haute activité à Vie longue (HA-VL), les plus gênants pour la gestion des déchets radioactifs. Dans sa thèse présentée en 2022 sous la direction du CEA, Yves Devaux nous l’explique : « Le contrôle de la réactivité des cœurs de REP sans bore soluble repose sur l’insertion prolongée des grappes de contrôle ainsi que sur le recours massif aux poisons consommables. L’évolution du combustible et des absorbants est perturbée par le durcissement du spectre neutronique induit par la présence des grappes. En effet, un spectre durci favorise la capture de ²³⁸U par rapport à la fission de ²³⁵U, ce qui conduit à former davantage de plutonium, d’abord ²³⁹Pu puis les isotopes plus lourds par captures successives », les fameux HA-VL [Devaux, 2022].

A énergie produite équivalente, le petit Nuward génèrerait plus de déchets nucléaires qu’un gros réacteur de même technologie (REP).

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