Quels sont les différents types de réacteurs dans le monde, actuels et futurs ? - SFEN

Quels sont les différents types de réacteurs dans le monde, actuels et futurs ?

Publié le 4 octobre 2020 - Mis à jour le 23 avril 2021
Centrale nucléaire
Combustible
Synthèse

Si la fission nucléaire est le dénominateur commun de tous les réacteurs nucléaires en fonctionnement, de nombreux types de réacteurs existent : à eau sous pression (REP), à eau bouillante (REB). Les différences peuvent porter sur le combustible, le modérateur (hydrogène, deutérium, carbone), le fluide caloporteur (eau, sodium liquide, gaz), la puissance du réacteur ou encore les applications. Au-delà des REP et REB, d’autres réacteurs sont à l’étude.

Les réacteurs à eau sous pression (REP) représentent la majorité des réacteurs en fonctionnement dans le monde. 

Dans un REP, l’eau du circuit primaire, où se déroule la réaction nucléaire, n’est pas directement en contact avec la turbine.

Les réacteurs à eau bouillante (REB) constituent l’autre grande famille utilisée dans le monde. Dans un réacteur REB, la pression de l’eau dans le circuit primaire y est moins importante et l’eau chauffée est directement injectée dans les turbines, sans passer par un circuit secondaire. REP et REB ont en commun le recours à l’eau comme fluide caloporteur et comme modérateur.

Ces réacteurs font partie des 2e et 3e générations de réacteurs.

225
En 2019, près de 225 réacteurs nucléaires en fonctionnement dans le monde sont uniquement dédiés à la recherche

Les réacteurs du futur

D’autres réacteurs, moins nombreux, sont à l’étude, appelés le plus souvent réacteurs de GEN IV (de quatrième génération). C’est le cas des réacteurs à neutrons rapides (RNR), encore à l’état de prototypes, dont les neutrons ne sont pas modérés (ralentis). Porteurs d’une plus grande énergie cinétique, ces neutrons peuvent fissionner tous les noyaux lourds, et pas seulement les atomes fissiles (uranium, plutonium, etc.).

Plusieurs grands pays et de nombreuses start-ups travaillent aussi sur des réacteurs alternatifs, aux designs parfois bien différents. C’est le cas des réacteurs à sels fondus dans lequel le combustible nucléaire se présente sous forme liquide, dissous dans du sel fondu (600 à 900 °C) qui joue à la fois le rôle de caloporteur et de barrière de confinement.

Enfin, sans compter les réacteurs nucléaires utilisés pour la propulsion marine, de nombreux réacteurs sont dédiés à la recherche ou à la médecine nucléaire. La plupart sont uniques.

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Six technologies de réacteurs nucléaires

Dans le monde, six technologies de réacteurs nucléaires sont répertoriées

Les Réacteurs à Eau Pressurisée (REP) : ce sont les réacteurs les plus nombreux dans le monde. Ils représentent l’essentiel des réacteurs en exploitation, en construction et en projet. Les réacteurs construits en France depuis le milieu des années 1970 sont des REP. Le combustible d’un REP est l’uranium enrichi. L’eau est à la fois modérateur et caloporteur. Elle est maintenue sous pression, pour maintenir son état liquide même à une température de 300°C.

Les Réacteurs à Eau Bouillante (REB) : la plupart des REB ont été construits aux Etats-Unis, au Japon, en Suède, en Finlande, en Russie et en Suisse. La filière des REB représente environ le quart des réacteurs construits dans le monde. Un REB fonctionne avec de l’uranium enrichi. L’eau circulant dans le cœur est, comme dans les REP, caloporteur et modérateur. Mais contrairement au réacteur à eau pressurisée, l’eau de refroidissement est vaporisée dans le cœur et passe directement dans la turbine, sans circuit secondaire. L’enceinte de confinement empêche la dissémination de produits radioactifs en cas d’endommagement du cœur.

Les réacteurs à eau lourde : moins d’une cinquante de réacteurs à eau lourde pressurisée sont exploités dans le monde. Cette filière, de type CANDU, a été conçue au Canada et est particulièrement développée en Inde. Dans les réacteurs à eau lourde, l’eau lourde est modérateur et caloporteur. Cette eau « lourde » est une combinaison d’oxygène et de deutérium. Elle absorbe moins les neutrons que l’eau « ordinaire », ce qui permet d’utiliser l’uranium naturel comme combustible, sans avoir à l’enrichir.

Les Réacteurs à Caloporteur Gaz, modérateur graphite (RCG) : on ne compte que 15 réacteurs à Caloporteur Gaz dans le monde, tous au Royaume-Uni. Dans un RCG, le fluide caloporteur est un gaz, le CO2. Porté à haute température, il alimente directement la turbine sans échangeur intermédiaire. Le combustible est un uranium enrichi et le modérateur est le graphite. Les RCG sont généralement de petite taille, entre 100 à 300 MW. Dans les années 1950, la France a développé une filière dérivée des RCG, la filière Uranium Naturel Graphite Gaz (UNGG). Arrêtées à partir du milieu des années 1980, les 6 réacteurs UNGG français sont en cours de démantèlement. Une nouvelle génération de réacteurs à caloporteur gaz et modérateur graphite est exploitée au Royaume-Uni par EDF Energy : la filière AGR (Advanced Gas-cooled Reactor).

Réacteur à eau légère et modérateur graphite (RBMK) : ce type de réacteur de conception soviétique est plus communément mentionné sous l’appellation russe RBMK (réacteur de grande puissance à tubes de force). Un RBMK utilise de l’uranium faiblement enrichi comme combustible, de l’eau légère – normale – comme caloporteur et du graphite comme modérateur. Ce réacteur ne nécessitant ni enrichissement massif, ni eau lourde a aussi pour particularité de produire une grande quantité de plutonium (utilisé dans la fabrication de certaines armes nucléaires), ce qui a motivé son développement par l’Union Soviétique. 15 réacteurs RBMK sont en exploitation, tous situés en Russie.

Les Réacteurs à Neutrons Rapides (RNR) : les réacteurs à neutrons rapides utilisent un combustible fortement enrichi associant de l’uranium et du plutonium sous forme d’oxyde (combustible de référence), de carbure, de nitrure ou encore d’alliage métallique. Ces réacteurs n’utilisent pas de modérateur, cherchant ainsi à exploiter de façon la plus complète le potentiel énergétique du combustible. Le fluide caloporteur est un métal liquide (le sodium) ou un gaz (comme l’hélium).

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4 générations de réacteurs nucléaires

Les premiers réacteurs nucléaires ont vu le jour dans les années 1960. Aujourd’hui, ils fournissent plus de 10 % de l’électricité dans le monde.   

La 1ère génération de réacteurs nucléaires comprend les prototypes et les premiers réacteurs de taille industrielle à usage commercial mis en service dans les années 1960. Conçus après la deuxième guerre mondiale, ces réacteurs faisaient la démonstration du potentiel de la puissance atomique mise au service de l’énergie civile. A cette époque, la France, qui ne disposait pas des technologies d’enrichissement de l’uranium, a développé une filière technologique utilisant l’uranium naturel comme combustible (UNGG).

Les réacteurs nucléaires de 2e génération sont entrés en service à partir des années 1970. L’objectif était de rendre l’énergie nucléaire compétitive et améliorer l’indépendance énergétique de la France, dans un contexte de fortes tensions sur le cours des énergies fossiles (choc pétrolier). La majorité des réacteurs actuellement en exploitation dans le monde sont des réacteurs de 2ème génération. La France a adopté les réacteurs à eau pressurisée (REP), de la technologie américaine et adaptée par EDF.

La 3e génération de réacteurs nucléaires, qui prend progressivement le relais aujourd’hui, met l’accent sur les impératifs liés à la sûreté et à la sécurité. Ces réacteurs tirent les enseignements du retour d’expérience de l’exploitation des réacteurs de 2ème génération, y compris des accidents de Three Miles Island et de Tchernobyl, mais aussi des attentats du 11 septembre 2001. Trois réacteurs émergent aujourd’hui dans le monde : l’EPR, l’APR1400, l’AP1000, l’AES 2006, dernier modèle de 1 200 MWe du VVER russe, etc.

La 4e génération correspond aux réacteurs, actuellement en conception, qui pourraient voir un déploiement industriel à l’horizon 2040-2050, notamment en Asie. Ils sont en rupture technologique avec tout ce qui a été réalisé jusqu’à présent. Les recherches sur ces systèmes du futur sont menées dans le cadre du Forum international Génération IV qui a établi quatre critères auxquels ces réacteurs de GEN IV doivent répondre :

  • la sûreté et la fiabilité, en étudiant autant que possible l’absence d’évacuation de populations, quelles que soient la cause et la gravité de l’accident ;
  • la durabilité, via une économie des ressources en combustible et une réduction de la production de déchets finaux ;
  • la compétitivité économique (coûts d’investissement jusqu’au démantèlement) par rapport aux autres sources d’énergie ;
  • la protection contre toutes agressions externes, a fortiori pour des pays qui, quoique concernés par le Traité de non-prolifération nucléaire, pourront néanmoins avoir accès à cette nouvelle technologie.

Ouvrages de référence

Histoire et techniques des réacteurs nucléaires et de leurs combustibles, Dominique Grenêche, novembre 2016

Pourquoi le nucléaire, Bertrand Barré, 2017

Histoire et techniques des réacteurs nucléaires et de leurs combustibles, Dominique Grenêche, novembre 2016

Articles de référence

Etats-Unis, la GEN IV en effervescence : https://www.sfen.org/rgn/5-10-etats-unis-gen-iv-effervescence

le développement de réacteurs rapides au sodium en Russie : https://www.sfen.org/rgn/7-10-developpement-reacteurs-rapides-sodium-russie

Chine : réacteurs à neutrons rapides et nouveaux usages du nucléaire : https://www.sfen.org/rgn/6-10-chine-reacteurs-neutrons-rapides-usages-nucleaire

L’innovation nucléaire face à des vents contraires : https://www.sfen.org/rgn/10-10-innovation-nucleaire-face-vents-contraires

la R&D, un des piliers du CEA : https://www.sfen.org/rgn/1-10-piliers-cea

Molten Salt Reactor, un RNR à combustible liquide : https://www.sfen.org/rgn/3-10-molten-salt-reactor-rnr-combustible-liquide