D’Oklo, la pile fossile, aux quatre générations de réacteurs
Réacteurs nucléaires – généralités 1 - Chaudières et cycle du combustible – filières – principales contraintes

Le présent article, ainsi que le suivant, traitent des réacteurs nucléaires de fission dans la perspective du siècle à venir et des durées historiques, comptées en millénaires. Cependant, toute réflexion sur l’énergie nucléaire doit prendre en compte d’autres échelles de temps :

• les durées cosmiques/géologiques qui sont celles de la nucléosynthèse stellaire et de la production d’énergie dans les étoiles par la fusion. C’est aussi la durée typique qui nous sépare de la première pile fossile d’OKLO il y a deux milliards d’années. C’est à cette échelle de temps que se mesure le caractère inépuisable du nucléaire grâce au « continuum nucléaire » constitué par la combinaison de la fusion, de la fission et des particules chargées accélérées  ;

• la longévité des espèces vivantes, en dizaines de millions d’années ;

• la durée de montée en puissance puis de plateau de production des énergies qui viennent s’empiler au fil des siècles pour satisfaire les besoins de l’humanité dus à la croissance démographique et au développement. Il s’agit d’abord de l’énergie humaine et animale. Avec l’entrée dans l’ère industrielle apparaissent, à grande échelle : le charbon, le pétrole, le gaz, l’hydroélectricité, les formes modernes d’énergies renouvelables, dont le nucléaire ;

• le temps du marché des énergies – de crise en crise – qui est la décennie. Le marché des énergies est le croisement d’un marché de biens de consommation et d’une régulation de bien commun. Il est secoué par les tempêtes politiques locales, régionales et planétaires, ce qui le rend volatil.

La difficulté (scientifique, industrielle, politique) est d’harmoniser ces échelles de temps et de conduire une stratégie continue, sans rupture et sans échec. Un tel pilotage stratégique doit associer étroitement le cycle du combustible et les dispositifs de production d’énergie : les réacteurs. Il doit assurer la cohérence entre le court et le long terme, entre la compétitivité au sens large et la durabilité. Si les exigences à respecter doivent être confrontées au possible industriel d’une époque et négociées au plus près au cours de la phase de conception des filières, la sûreté, toujours mieux informée des risques par le retour d’expérience, s’impose inconditionnellement.

Tels sont les défis à relever pour une énergie dont les réactions se situent au niveau du MeV par unité de masse atomique, un million de fois supérieur à celui des réactions chimiques (l’eV), et dont les ressources sont inépuisables à l’échelle humaine, c’est-à dire renouvelables (voir encadré § 1.1).

Heureusement, concernant la fission, on a pu s’appuyer, depuis les débuts du projet Manhattan , sur la puissance de la simulation numérique et expérimentale. Cette puissance tient au caractère linéaire des systèmes d’équations aux dérivées partielles gouvernant la physique des réacteurs et du cycle.

La présentation sera décomposée en trois articles :

• ce premier article, consacré :

  • à la présentation de la chaudière nucléaire, du cycle du combustible, de leur étroit couplage et des perspectives ouvertes par la régénération des noyaux fissiles,

  • à la place du nucléaire dans l’offre énergétique,

  • aux principales contraintes ;

• un deuxième article, consacré aux filières nucléaires et aux thèmes dominant l’actualité et l’avenir proche :

  • brève revue : des filières éprouvées, des filières démontrées, des filières à l’étude ; la voie SMR ; les progrès transverses,

  • la régénération des noyaux fissiles, le spectre rapide et le paramètre clé η,

  • l’évaluation économique, les projections à l’horizon 2050 ; l’évaluation des mix énergétiques intégrant l’intermittence et son prix ;

• un troisième article consacré :

  • aux niveaux simplifiés de modélisation qui, du projet Manhattan à nos jours, ont servi à définir les options stratégiques du cycle et de la conception des réacteurs,

  • à l’examen des atouts de l’innovation radicale,

  • à la perspective du grand futur, garanti par le continuum des énergies nucléaires (fission, fusion, particules accélérées) ; à l’évolution des concepts associés.