Les petits réacteurs modulaires (PRM) et leurs combustibles

Visant en particulier le marché de la fourniture directe d’énergie à des clients industriels, les nouveaux concepteurs de réacteurs s’inscrivent en rupture avec le modèle historique en développant des réacteurs de 10 à 400 fois moins puissants que le réacteur EPR de Flamanville, d’où leur qualificatif de « petits » réacteurs.

Les puissances thermiques des PRM actuellement suivis par l’ASNR sont comprises entre 10 et 540 MWth.

Cette réduction significative de puissance implique également une adaptation radicale du modèle économique de développement de ces réacteurs, d’une part en cherchant à réduire les délais de construction, d’autre part en s’appuyant sur une standardisation et une production de série.

C’est ce nouveau modèle industriel d’une production de série avec une large part de préfabrication en usine qui donne ce qualificatif de petits réacteurs « modulaires ».

L’objectif de décarboner la production énergétique favorise le développement de systèmes de faible émission de gaz à effet de serre.  Dans ce contexte, les utilisations possibles du nucléaire sont les suivantes :

Remplacement des centrales fossiles 

En complément de l’offre nucléaire existante, et en fonction des marchés visés, des réacteurs de plus petite taille pourraient se substituer aux centrales à charbon, gaz ou fuel existantes.

Fourniture locale d’électricité ou de chaleur

La production d’énergie pour les secteurs difficiles à décarboner (chaleur industrielle ou chauffage urbain), la désalinisation de l’eau de mer, la production de l’hydrogène vert ou encore l’alimentation en chaleur et en électricité d’industries très énergivores, favorisent l’émergence de nouveaux dispositifs de production d'énergie tels que les PRM.

Développement de systèmes pour les sites isolés

Transportables par camion, train, bateau ou avion, les PRM ouvrent aussi des perspectives pour alimenter en électricité ou en chaleur les sites isolés, non connectés au réseau électrique.

 Dans ce contexte, le Gouvernement a lancé en mars 2022 un programme d’appel à projets de réacteurs nucléaires innovants visant à faire émerger un écosystème de start-ups nucléaires.

S’inscrivant dans le cadre du plan France 2030 visant à décarboner l’économie, cet appel à projet vise notamment au développement de nouveaux concepts de réacteurs nucléaires.

C’est ainsi que sont apparues récemment une dizaine de nouvelles sociétés porteuses de projets de PRM. Leur modèle économique est fondé sur trois piliers :

Les projets de PRM actuellement à l’étude en France relèvent de quatre types de technologie :

Réacteurs à eau • Combustible solide Uranium • Modérateur eau • Caloporteur eau

Réacteurs à métal liquide • Combustible solide Mélange d'uranium et plutonium (MOX-RNR) • Pas de modérateur • Caloporteur métal liquide (sodium, plomb)

Réacteurs à haute température • Combustible solide Uranium (particules "TRISO") • Modérateur graphite ou eau lourde • Caloporteur gaz hélium ou sodium

Réacteurs à sels fondus • Combustible liquide plutonium sous la forme d'un sel • Pas de modérateur • Caloporteur sel fondu

Les réacteurs à eau constituent la grande majorité des réacteurs exploités actuellement dans le monde, tandis que les autres technologies de PRM, déjà connues et développées depuis de nombreuses années, n’avaient en général jusqu’à présent conduit à la réalisation que de quelques réacteurs expérimentaux ou de prototypes, sans exploitation à une échelle industrielle.

Les programmes de développement peuvent être différents en fonction des filières et des projets. Ils peuvent nécessiter le passage dans différentes étapes de développement parmi les typologies suivantes :

• Réacteur expérimental : réalisation d’expériences en vue de l’acquisition de connaissances théoriques nécessaires pour finaliser la conception du réacteur industriel (démonstrateur / tête de série) et sa démonstration de sûreté ;
• Démonstrateur / prototype industriel : réacteur visant à justifier pour les investisseurs ou les clients de l’atteinte d’un niveau de maturité industrialisable, ainsi que si nécessaire la réalisation d’essais en vue de tests pour la validation des choix technologiques nécessaires pour finaliser la conception du réacteur industriel et sa démonstration de sûreté ;
• Tête de série : premier réacteur industriel pleine échelle.

De manière connexe au développement de ces projets de réacteurs modulaires apparait inévitablement le sujet du besoin de disposer du combustible nécessaire à leur fonctionnement. Ce besoin s’entend non seulement en matière de disponibilité du combustible mais également en matière de capacité de production et d’industrialisation.  Aussi, les enjeux de développement sont très variables suivant la technologie de réacteur :

	Filière technologique	Combustible associé	Défis technologiques potentiels ?	Capacité d'industrialisation des outils actuels
	Réacteur à eau légère	Uranium enrichi entre 3 et 5% (LEU)	-	Existante
	Réacteur à métal liquide	Mélange d'uranium et de plutonium (MOX-RNR)	-	A développer
	Réacteur à haute température	Particule "TRISO" d'uranium enrichi entre 5 et 20% (HALEU)	Fabrication des TRISO	A développer
	Réacteur à sel fondu	Mélange d'uranium et de plutonium intégrés dans du sel	Fabrication du sel	A développer