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Plonger en profondeur

Pourquoi l'énergie nucléaire ?

Domaine de travail : technologies nucléaires de pointe Énergie

La nécessité d'une option viable d'énergie nucléaire élargie est grande. Tout d'abord, la demande mondiale d'énergie devrait augmenter d'au moins 50 % d'ici 2035, et la demande d'électricité dans les pays en développement devrait tripler.¹ Actuellement, plus d'un milliard de personnes n'ont aucun accès à l'électricité, et des milliards d'autres ne consomment qu'un dixième, voire moins, de l'électricité consommée par habitant dans les pays de l'OCDE.

Dans le même temps, ~80% de l'énergie mondiale et environ deux tiers de l'électricité mondiale sont dérivés de combustibles fossiles.³ Dans l'accord de Paris sur le climat de décembre 2015, 195 nations ont adopté un objectif visant à contenir le réchauffement climatique à une augmentation de 1,5-2 degrés (Celsius) de la température moyenne mondiale par rapport aux niveaux préindustriels. Les analyses du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat ont déterminé que la réalisation de cet objectif nécessitera un système énergétique mondial n'émettant presque pas de dioxyde de carbone peu après le milieu du siècle.⁴

Par ailleurs, presque toutes les analyses faisant autorité sur les technologies énergétiques nécessaires au cours des prochaines décennies pour créer un système énergétique à émissions de carbone quasi nulles ont conclu que de grandes quantités d'énergie nucléaire seront probablement nécessaires. Selon des rapports récents du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat, de l'Agence internationale de l'énergie, du Réseau des solutions durables des Nations unies, du Joint Global Change Research Institute et du Pacific Northwest National Laboratory, le monde aura besoin d'une capacité nucléaire de 1600 GW ou plus d'ici 2035-2050 pour atteindre les objectifs fixés.⁵ Actuellement, environ 450 réacteurs en exploitation produisent un peu moins de 400 GW,⁶ dont moins de 100 produisent un peu moins de 100 GW aux États-Unis.⁷ Pour atteindre les objectifs climatiques mondiaux au cours des prochaines décennies, il faudra multiplier jusqu'à quatre fois la capacité nucléaire mondiale actuelle et augmenter considérablement le taux annuel mondial de déploiement (voir les figures 1 et 2 ci-dessous).

Figure 1. Capacité nucléaire actuelle et capacité nucléaire nécessaire pour atteindre les différentes estimations des objectifs climatiques. (Source : Clean Air Task Force à partir de PNNL, AIE, WNA)
Chiffre du taux de construction nucléaire
Figure 2. Taux annuel de construction de centrales nucléaires nécessaire pour atteindre les différentes estimations des objectifs climatiques (en supposant que la moitié des réacteurs actuels devront être remplacés d'ici 2040). La dernière barre représente une extrapolation du taux de construction de centrales nucléaires en France sur deux décennies à l'ensemble du monde actuel, et normalisé par GW installé par unité de population. (Source : Clean Air Task Force à partir de PNNL, AIE, WNA)

Pour atteindre ces objectifs en matière de développement humain et de changement climatique, il faudra un type de réacteur nucléaire sensiblement différent, moins coûteux, plus rapide à réaliser et plus susceptible d'être accepté par le public.

Heureusement, la technologie n'est pas au point mort. Les leaders actuels du développement nucléaire et des dizaines de jeunes entreprises innovantes sont à l'origine de conceptions nouvelles ou actualisées qui pourraient être commercialement prêtes avec une infrastructure commerciale et un soutien politique appropriés. Ces conceptions font appel à des combustibles et à des technologies de réacteur différents, potentiellement beaucoup plus sûrs et économiquement viables, plus rapides à construire, produisant moins de déchets et présentant un risque de prolifération moindre.

I. Le potentiel de l'énergie technologies nucléaires de pointe

Pour de nombreuses raisons, le parc mondial actuel se compose principalement de deux familles de réacteurs à eau légère : les réacteurs à eau pressurisée ou à eau bouillante. Le parc a réalisé des gains importants en termes de performance et de conception des systèmes de sécurité au cours des 40 dernières années et fournit aujourd'hui plus de 30 % de la production sans carbone dans le monde.⁸ Cependant, le parc conventionnel actuel présente des caractéristiques de conception et d'exploitation qui ont limité la performance, la viabilité économique et la perception des risques de l'industrie nucléaire au cours des 40 dernières années. Les réacteurs avancés ont des caractéristiques qui peuvent répondre à certaines de ces limitations du parc existant.

A. Qu'est-ce que "technologies nucléaires de pointe energy" ?

"technologies nucléaires de pointe energy ", implique un réacteur ou un cycle du combustible qui doit offrir certaines des caractéristiques suivantes :

  • une réduction des coûts d'investissement et/ou d'exploitation ;
  • la capacité de fabrication ou de déploiement rapide ;
  • les systèmes de sécurité passive ;
  • la facilité d'utilisation et d'entretien ;
  • réduction des zones de planification d'urgence, réduction de l'impact hors site en cas d'accident et augmentation de la flexibilité et de l'évolutivité des sites ;
  • une résistance accrue à la prolifération ;
  • une diminution de la consommation d'eau ;
  • une diminution de la production de déchets et/ou une capacité de gestion des actinides ;
  • une utilisation plus efficace des ressources en carburant ;
  • adaptabilité à la production hybride (par exemple, production d'hydrogène, dessalement, etc.) et/ou au suivi de la charge.
  • la réduction des intrants matériels.

Une technologie unique peut ou non offrir toutes ces améliorations ; cependant, l'éventail des technologies qui offrent certaines de ces améliorations est large et comprend à la fois les technologies de fission et de fusion.

B. Comment les réacteurs avancés répondent-ils à ces caractéristiques souhaitées ?

Coût du capital. Moins de 20 % des coûts d'une centrale nucléaire classique à eau légère sont liés au coût du réacteur nucléaire lui-même et des équipements de production d'électricité. La plupart des coûts proviennent de la construction de grandes structures de confinement, de l'équipement de refroidissement, de l'infrastructure du site et des coûts de financement pour les longues durées de construction (généralement 4 à 5 ans ou plus, contre quelques mois à deux ans pour une centrale au gaz ou au charbon). Si les futurs réacteurs avancés à eau légère peuvent permettre de réduire les coûts d'investissement, les réacteurs avancés sans eau légère peuvent résoudre les problèmes de coûts de deux manières. Tout d'abord, en éliminant l'eau du processus de refroidissement, en utilisant des réfrigérants aux caractéristiques différentes et en recourant à des stratégies de sécurité inhérentes, la nécessité d'un grand confinement pressurisé et d'un équipement de refroidissement redondant est éliminée, ce qui permet de supprimer jusqu'à deux tiers de la masse totale de la centrale en béton et en acier. Deuxièmement, en réduisant la complexité et la taille des structures nécessaires sur le site, la plupart des installations avancées peuvent être construites dans une usine ou un chantier naval et livrées sur le site. Cela permet de réduire de moitié, voire plus, les délais de construction et d'éviter deux ans ou plus de coûts de financement importants pour l'usine. Une enquête récente auprès d'une douzaine de développeurs de réacteurs avancés a suggéré des coûts d'investissement pour les réacteurs avancés d'environ un tiers à la moitié des niveaux actuels des grands LWR, et des temps de construction "inédits" d'un peu plus de deux ans.

Taux de déploiement. En réduisant la complexité et en permettant des temps de construction plus rapides, il est possible d'atteindre les taux de déploiement nécessaires pour contrer les retraits d'usines tout en respectant les futurs objectifs climatiques. Des constructeurs tels que Boeing produisent 600 à 700 avions par an, et les constructeurs navals du monde entier produisent des dizaines de grands navires de haute mer chaque année. En outre, en raison de l'amélioration de la sécurité et des caractéristiques des déchets, les réacteurs avancés auront probablement besoin de moins de terrain, d'un développement réduit du site et d'un délai d'approbation réduit. Certaines conceptions, comme certains réacteurs à sels fondus, intègrent des dispositifs à sécurité intégrée tels que des bouchons qui se dissolvent en cas d'augmentation de la température du cœur du combustible, ce qui permet de drainer le combustible dans une chambre souterraine isolée. D'autres conceptions intègrent des dispositifs de sécurité passive qui s'appuient sur les forces naturelles de notre monde, comme la gravité et la convection, pour améliorer la sécurité.

Gestion des déchets. Les réacteurs à eau légère utilisent moins de 5% de la valeur énergétique de leur combustible, laissant 95% de déchets. De nombreux réacteurs avancés, fonctionnant sur le spectre des neutrons rapides, peuvent augmenter considérablement l'utilisation du combustible, laissant un volume de déchets beaucoup plus faible. De plus, les déchets restants sont beaucoup moins persistants, avec des demi-vies de toxicité de plusieurs centaines d'années au lieu de dizaines de milliers. Cela pourrait permettre de trouver une solution technique au stockage des déchets qui soit sûre pendant des siècles, au lieu d'un dépôt de déchets à longue durée de vie nécessitant une certification pendant des millénaires.

Prolifération des armes et protection physique. Comme avec les réacteurs à eau légère actuels, il existe toujours un risque de détournement de matières nucléaires à des fins illicites, comme l'utilisation dans le développement/production d'armes au niveau national ou l'utilisation dans une "bombe sale" par un acteur non étatique. Un avantage potentiel des réacteurs avancés est que de nombreuses conceptions utilisent des combustibles et produisent des flux de déchets qui ne sont pas aussi souhaitables pour le détournement. D'une part, parce que de nombreux combustibles avancés ne sont pas facilement accessibles (par exemple, les combustibles liquides dans un réacteur à sels fondus) et, d'autre part, parce que les flux de déchets sont souvent beaucoup plus petits en raison du taux de combustion élevé des matières fissiles pendant le fonctionnement. Les efforts en cours dans ce domaine pour quantifier et évaluer la "sauvegardabilité" doivent se poursuivre rapidement et être pris en compte dans tout effort de réglementation et d'autorisation.

Applications multiples. Les réacteurs à eau légère actuels sont les mieux adaptés à la production d'électricité en charge de base, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. Mais de nombreux réacteurs avancés sont plus polyvalents et peuvent plus facilement s'adapter aux fluctuations de la charge, ce qui pourrait devenir plus important à mesure que des quantités croissantes d'énergie éolienne et solaire sont ajoutées aux réseaux mondiaux. En outre, de nombreux réacteurs avancés produisent de la chaleur à des températures beaucoup plus élevées, qui peut être utilisée pour des applications de chaleur industrielle dans les secteurs de la chimie, du raffinage, de l'agroalimentaire et de la sidérurgie (dont l'utilisation de la chaleur provenant de combustibles fossiles représente plus de 10 % des émissions mondiales de CO₂), pour remplacer les chaudières des centrales au charbon existantes et pour de nombreuses autres applications.

CATF a produit un guide d'introduction plus complet sur technologies nucléaires de pointe energy, dans lequel plusieurs de ces points sont développés.

II. Réduire le coût et améliorer la productibilité de la technologie nucléaire actuelle

Alors que l'expérience récente des États-Unis et de l'Europe montre que les coûts des nouvelles unités nucléaires sont élevés, de nombreux projets nucléaires dans le monde sont construits aujourd'hui à un coût d'investissement de 50 à 80 % inférieur à celui des projets actuels et récents aux États-Unis et en Europe. (Voir la figure 3 ci-dessous).

Graphique du coût du capital nucléaire
Figure 3 : Coûts d'investissement au jour le jour des centrales nucléaires récemment construites ou en cours de construction. Source : ETI, note de bas de page 19, à partir de données déclarées.

À ce niveau de coût, le nucléaire est compétitif par rapport aux sources d'électricité à base de combustibles fossiles ainsi qu'à de nombreuses sources renouvelables, comme le montre la figure 4 ci-dessous.

Figure 4 : Coût total de la production d'électricité, y compris les coûts d'investissement et d'exploitation. Source : Lazard, 2017. https://www.lazard.com/media/450337/lazard-levelized-cost-of-energy-version-110.pdf *Reflète l'estimation de coût de Lazard pour une unité " PV plus stockage ". Ces coûts de stockage sont supposés être les mêmes pour l'éolien.

Une étude récente⁹ commandée par Energy Technologies Institute (ETI 2018) a révélé que l'écart entre les coûts des projets nucléaires mondiaux les plus et les moins chers est principalement dû aux meilleures pratiques industrielles, à la productivité de la main-d'œuvre et à une stratégie visant à construire la même conception à plusieurs reprises, tout en maximisant l'apprentissage entre les unités. Les réductions de coûts ont peu à voir avec des taux de main-d'œuvre plus bas, la qualité de la construction ou la rigueur de la réglementation en matière de sécurité. Des conclusions similaires figurent dans le récent rapport du MIT intitulé "The Future of Nuclear Energy in a Carbon-Constrained World"¹⁰.

Ces meilleures pratiques ne sont pas spécifiques à un pays. Elles peuvent être transférées au niveau mondial et améliorées pour réduire davantage les coûts et les délais de fabrication. Un exemple historique est la manière dont le Toyota Manufacturing System a défié les constructeurs automobiles américains au début des années 1990. Toyota produisait des véhicules de haute qualité à des coûts beaucoup plus bas. Au lieu de faire faillite, les entreprises américaines ont mis en œuvre des éléments clés de l'approche de Toyota, sauvant ainsi leur industrie et fournissant la base sur laquelle les concurrents étrangers allaient plus tard construire des usines américaines. Une partie importante des coûts plus élevés peut être indirectement attribuée à l'inexpérience et aux projets "first-of-a-kind" (FOAK). Construire quelque chose pour la première fois ou le faire dans un pays pour la première fois (ou après une pause prolongée) rend très difficile la mise en œuvre des meilleures pratiques et d'une productivité élevée de la main-d'œuvre - deux des principaux facteurs de coût selon l'étude - tout au long du projet.

La réduction des coûts nécessitera une transformation interne importante de l'industrie nucléaire, qui doit être soutenue par les politiques publiques et la poursuite de la recherche et du développement :

Les développeurs et les acheteurs de la technologie actuelle de refroidissement à l'eau doivent revoir leur processus et leur modèle d'entreprise afin d'exploiter les possibilités de réduction des coûts décrites dans l'étude. En voici quelques exemples :

  • Un engagement à achever la conception détaillée de l'usine et le processus de planification détaillée de la construction avant que le béton ne soit coulé.
  • Gestion unifiée de la construction.
  • Appliquer les meilleures pratiques en matière de gestion de la chaîne d'approvisionnement et de la main-d'œuvre, ce qui leur permet de transférer l'expérience et l'apprentissage d'un projet à l'autre.
  • Une organisation interne d'apprentissage des "meilleures pratiques de construction", équivalente à l'apprentissage opérationnel facilité par l'Institute of Nuclear Power Operators.

Le gouvernement doit également jouer un rôle :

  • La réduction des coûts devrait être un objectif majeur de tout programme de R&D parrainé par le gouvernement pour l'énergie nucléaire. Ces programmes se sont généralement concentrés sur la technologie et la sécurité des réacteurs plutôt que sur la fabrication et la livraison des composants et la construction des centrales.
  • Tout soutien gouvernemental futur aux réacteurs existants devrait être subordonné à l'intégration des meilleures pratiques de réduction des coûts dans le projet.
  • Le gouvernement devrait également envisager de soutenir les installations communes, par exemple en louant des chantiers navals pour l'assemblage des réacteurs.
  • Harmonisation des licences internationales pour maximiser la transférabilité des mêmes dessins et modèles.
  • Une réglementation davantage axée sur les résultats pour permettre des modifications mineures de la conception sans lourdeur bureaucratique.
  • Le gouvernement fédéral et les gouvernements des États fédérés doivent adopter une politique énergétique claire et à long terme. Elle devrait comprendre des objectifs de décarbonisation incluant toutes les sources d'énergie propres et permettant à l'énergie nucléaire de jouer un rôle. Cela contribuerait à justifier le programme intentionnel à long terme d'apprentissage et d'amélioration de la rentabilité par le biais des meilleures pratiques de gestion, de l'organisation d'alliances de fabrication et de la création de chaînes d'approvisionnement efficaces.

L'analyse ci-dessus s'applique à la technologie nucléaire actuelle refroidie à l'eau. Les réacteurs plus avancés - qui utilisent généralement des réfrigérants autres que l'eau - présentent une série de caractéristiques différentes qui pourraient permettre de réduire davantage les coûts (ainsi que d'améliorer encore les performances en matière de sécurité, de déchets et de non-prolifération). Plus précisément, bon nombre de ces conceptions comportent les attributs de contrôle des coûts suivants :

  • Réduction de la portée, de la durée et de la main-d'œuvre de la construction, en particulier sur le site, en raison de la réduction du nombre de bâtiments et du nombre de systèmes de sécurité nécessaires grâce à la conception de la sécurité passive.
  • Conçu pour permettre un pourcentage beaucoup plus élevé de production en usine de composants et d'assemblages clés.
  • Une conception plus simple des installations permettant une assurance qualité et une vérification moins exigeantes en main-d'œuvre.
  • Conceptions modulaires hautement standardisées.
  • Conception pour la réutilisation et la constructibilité.
  • L'isolation sismique intégrée réduit les coûts de conception spécifiques au site.
  • Moins de personnel d'exploitation en raison des caractéristiques de sécurité inhérentes à la conception du réacteur/de la centrale et au type de combustible.
  • Certaines entreprises intègrent des améliorations des opérations virtuelles/à distance.

Le rapport de l'ETI et d'autres études¹¹ constatent que les réacteurs avancés offrent la possibilité d'un changement radical dans la réduction des coûts sur les marchés de l'UE/des États-Unis par rapport aux constructions de conception conventionnelle dans l'UE/l'Amérique du Nord - même au-delà des réductions décrites dans le rapport de l'ETI pour les réacteurs classiques refroidis à l'eau.

Ces initiatives de réduction des coûts et ces nouvelles conceptions ne permettront pas de lever tous les obstacles à l'expansion de l'énergie nucléaire dans le monde, mais elles feront du nucléaire une option beaucoup plus viable pour la décarbonisation et, par conséquent, nos efforts de décarbonisation seront beaucoup plus efficaces.


¹ Perspectives énergétiques de BP jusqu'en 2035

² Données sur la population mondiale : https://esa.un.org/unpd/wpp/Download/Standard/Population/ ; Données sur l'accès à l'électricité : http://data.worldbank.org/indicator/EG.ELC.ACCS.ZS

Consommation d'énergie à partir de combustibles fossiles : http://data.worldbank.org/indicator/EG.USE.COMM.FO.ZS ;
http://databank.worldbank.org/data/reports.aspx?source=world-development-indicators#

⁴ Fawcett, Allen A., et al. "Les promesses de Paris peuvent-elles éviter un changement climatique grave ?". Science 350.6265 (2015) : 1168-1169.

⁵ Voir, par exemple, Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat, Groupe de travail III - Atténuation du changement climatique, http://www.ipcc.ch/report/ar5/wg3/, présentation, http://www.slideshare.net/IPCCGeneva/fifth-assessment-report-working-group-iii diapositives 32-33 ; Agence internationale de l'énergie, World Energy Outlook 2014, p. 396 ; Réseau des solutions durables des Nations unies, "Pathways to Deep Decarbonization" (juillet 2014), à la page 33 ; Commission mondiale sur l'économie et le climat, "Better Growth, Better Climate : The New Climate Economy Report" (septembre 2014), figure 5 à la page 26 ; Joint Global Change Research Institute, Pacific Northwest National Laboratory, présentation à Implications of Paris, First Workshop, College Park, MD, 4 mai 2016 (JGCRI, College Park, MD, 2016) ; http://bit.ly/JCRI-Paris.

https://pris.iaea.org/PRIS/WorldStatistics/WorldTrendNuclearPowerCapacity.aspx

https://www.nei.org/resources/statistics/world-nuclear-generation-and-capacity

⁸ BP Statistical Review of World Energy (juin 2018) https://www.bp.com/content/dam/bp/en/corporate/pdf/energy-economics/statistical-review/bp-stats-review-2018-full-report.pdf, p. 48.

⁹ Energy Technologies Institute, " The ETI Nuclear Cost Drivers Report " (avril 2018), https://www.eti.co.uk/library/the-eti-nuclear-cost-drivers-project-summary-report.

¹⁰ https://energy.mit.edu/wp-content/uploads/2018/09/The-Future-of-Nuclear-Energy-in-a-Carbon-Constrained-World.pdf

¹¹ Voir Clean Air Task Force, "technologies nucléaires de pointe Énergie : Besoin, caractéristiques, coûts des projets et opportunités" (avril 2018) ; Voir Energy Options Network, "WHAT WILL technologies nucléaires de pointe POWER PLANTS COST? : A Standardized Cost Analysis of technologies nucléaires de pointe Technologies in Commercial Development "(juillet 2017),

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