La Chine présente le réacteur à neutrons rapides CFR 1000, un nouveau chapitre pour le nucléaire

Un bond dans la conception des réacteurs aux enjeux mondiaux

La Chine s’est rapprochée d’un grand pas de la production commerciale d’électricité par réacteur rapide. La China National Nuclear Corporation (CNNC) a présenté la conception du CFR 1000, une centrale à neutrons rapides d’une puissance pouvant atteindre 1,2 gigawatt. Dans l’attente des autorisations de sûreté, la CNNC vise une mise en service au début des années 2030, la date de 2034 étant souvent citée dans les prévisions. Avec une production suffisante pour alimenter environ un million de foyers, cette unité serait l’un des plus grands réacteurs avancés en cours de développement.

Contrairement aux réacteurs à eau pressurisée, qui constituent l’essentiel des parcs nucléaires actuels, le CFR 1000 ne ralentit pas les neutrons à l’aide d’un modérateur tel que l’eau. C’est un réacteur à neutrons rapides. Sa conception relève d’une catégorie souvent regroupée sous l’appellation de systèmes de quatrième génération, qui visent une meilleure utilisation du combustible, une réduction des déchets et des dispositifs de sûreté robustes. La CNNC présente le CFR 1000 comme la première étape commerciale d’un programme progressif, lancé avec une petite unité expérimentale et poursuivi avec deux réacteurs de démonstration actuellement en construction. L’entreprise a présenté le projet lors d’un symposium consacré à l’énergie nucléaire avancée à Fuzhou, dans la province du Fujian, en présence de responsables du secteur de l’énergie.

L’intérêt dépasse largement les frontières chinoises. Un réacteur rapide commercial de cette puissance pourrait modifier la façon dont les pays planifient leur sécurité énergétique et leurs objectifs climatiques. Il pourrait également relancer le débat sur le retraitement du combustible, la gestion du plutonium et le commerce des matières nucléaires. Le calendrier dépendra des autorités de sûreté chinoises. À l’étranger, les acteurs du secteur suivront les performances du projet tout en faisant avancer leurs propres programmes de réacteurs rapides.

Le CFR 1000 utilise du sodium liquide plutôt que de l’eau pour transférer la chaleur du cœur vers les équipements de production d’électricité. Le sodium permet de fonctionner à des températures plus élevées et à basse pression, ce qui améliore le rendement thermique et réduit certains mécanismes d’accident observés dans les systèmes refroidis à l’eau. Ce choix présente aussi des défis techniques particuliers. Le sodium réagit avec l’eau et l’air : la conception de la centrale repose donc sur des environnements confinés, la détection des fuites et plusieurs circuits de transfert thermique afin d’isoler le métal de la vapeur et de l’atmosphère.

Comment un réacteur à neutrons rapides produit de l’énergie

Au cœur de tout réacteur se trouve une réaction en chaîne. Dans une centrale classique, les crayons de combustible sont plongés dans l’eau, qui remplit plusieurs fonctions. L’eau modère, c’est-à-dire ralentit, les neutrons pour qu’ils aient davantage de chances de provoquer la fission de l’uranium 235. Elle refroidit également le combustible et transporte la chaleur jusqu’aux générateurs de vapeur. Un réacteur rapide se passe de modérateur. Les neutrons conservent une énergie plus élevée et peuvent provoquer la fission d’un plus large éventail de noyaux, notamment des isotopes du plutonium qui se forment dans le combustible.

Ce changement a plusieurs conséquences. Le combustible peut être utilisé plus complètement avant d’être épuisé. Un environnement riche en neutrons permet un cycle fermé du combustible, dans lequel le réacteur produit de nouvelles matières fissiles à partir de l’uranium 238, abondant. Après séparation et recyclage, ces matières peuvent contribuer à plusieurs reprises à la production d’électricité. Le procédé peut aussi consommer une partie des déchets à vie longue issus des réacteurs classiques et ainsi alléger la charge à long terme, si l’ensemble du cycle est déployé à grande échelle.

Régénération, retraitement et cycle fermé

La régénération consiste à créer du nouveau combustible fissile à l’intérieur du réacteur. Dans une configuration classique, l’uranium 238 capture un neutron puis, au terme d’une série de désintégrations, se transforme en plutonium 239. En entourant le cœur d’une couverture de matière fertile, les concepteurs peuvent permettre à la centrale de produire assez de combustible neuf pour remplacer celui consommé par le cœur. Ce rapport, appelé taux de régénération, détermine la quantité de matière nouvelle disponible pour le prochain chargement de combustible.

Pour fermer le cycle, le combustible doit être retraité. La Chine mène des activités de retraitement à l’échelle pilote et de démonstration et a étudié des projets industriels avec des partenaires. Le combustible MOX, mélange de plutonium et d’uranium, a été utilisé dans des réacteurs rapides ainsi que dans certaines centrales classiques. La CNNC a également évoqué le recours à du combustible métallique lors des étapes ultérieures de son programme. Chaque option implique des compromis en matière de performances, de manutention des matériaux et de complexité du recyclage.

Pourquoi le sodium liquide est au cœur de la conception

Le sodium liquide est un caloporteur de choix pour les réacteurs rapides, car il ne ralentit pas les neutrons et transporte très bien la chaleur. Il reste liquide sur une large plage de températures et son point d’ébullition est très élevé, ce qui permet au réacteur de fonctionner à une pression proche de la pression atmosphérique. Une faible pression réduit les contraintes sur les tuyauteries et les cuves, et écarte le risque de fortes explosions de vapeur à l’origine de certains scénarios d’accident dans les centrales refroidies à l’eau.

Selon les descriptions publiques des projets chinois de cette filière, le CFR 1000 adoptera une configuration de type piscine. Le cœur, les pompes et les échangeurs de chaleur seront placés dans une grande cuve de sodium. La chaleur passera du circuit primaire de sodium à un circuit secondaire de sodium, puis à un système à eau ou au dioxyde de carbone supercritique qui entraînera les turbines. Cette architecture en trois étapes vise à éloigner toute fuite de vapeur du circuit primaire radioactif.

Manipuler le sodium en toute sûreté

La manipulation du sodium est une discipline essentielle pour ce type de centrale. Le métal réagit avec l’eau et l’oxygène. Les concepteurs limitent ces risques grâce à des systèmes confinés de gaz de couverture, généralement de l’argon, à des enceintes sans air, à une détection rapide des fuites et à des équipements qui maintiennent une teneur en oxygène extrêmement basse dans le sodium afin de limiter la corrosion. Les générateurs de vapeur sont construits avec des matériaux résistants à l’attaque chimique et dotés d’instruments capables de détecter le moindre transfert d’hydrogène bien avant la rupture d’un tube.

La protection contre les incendies diffère de celle d’une centrale à eau. Les exploitants prévoient le risque de fuites de sodium, susceptibles de dégager de la fumée ou de s’enflammer au contact de l’air. Locaux inertés, bacs de récupération et agents extincteurs spécifiques sont des pratiques courantes, héritées des centrales construites en Russie, en France, au Japon et aux États-Unis. Le bilan international a permis de tirer des enseignements des incidents, et les conceptions modernes cherchent à intégrer cette expérience dans l’agencement des installations et les procédures d’exploitation.

Les questions de sûreté soumises aux autorités de contrôle

Les réacteurs rapides reposent sur une physique différente de celle des unités classiques, ce qui conduit les autorités de contrôle à examiner quelques questions récurrentes. Elles portent notamment sur le comportement du réacteur en cas d’ébullition du caloporteur ou de perte de débit. Les concepteurs cherchent à garantir une forte rétroaction négative de réactivité, afin que la réaction en chaîne ralentisse lorsque la température augmente. L’évacuation de la chaleur résiduelle pendant plusieurs jours sans intervention des opérateurs est une autre priorité. Les conceptions modernes de réacteurs rapides intègrent des systèmes passifs reposant sur la convection naturelle et des échangeurs de chaleur immergés dans le caloporteur.

Les réactions entre le sodium et l’eau constituent un autre point d’attention. Même avec des circuits séparés, une fuite dans un générateur de vapeur peut projeter de l’eau dans du sodium chaud. Cela produit de la chaleur et de l’hydrogène. Les centrales sont conçues avec des tubes de petit diamètre, des vannes d’isolement à fermeture rapide et des réservoirs de vidange permettant d’évacuer le sodium du générateur en quelques secondes. Ces mesures réduisent le risque de rupture des tubes et limitent les conséquences en cas de défaillance.

La CNNC affirme que la technologie répond aux objectifs de quatrième génération en matière de sûreté, de déchets et d’économie. L’autorité chinoise de sûreté nucléaire examinera ces affirmations dans le cadre d’une procédure formelle d’autorisation. L’expérience acquise avec le China Experimental Fast Reactor, une unité de 20 mégawatts électriques près de Pékin, et avec les unités de démonstration CFR 600 dans le Fujian alimentera le dossier de sûreté de la centrale de plus grande puissance. Des experts internationaux suivront la procédure et la compareront à leurs propres normes.

Le calendrier chinois, de l’expérimentation à l’échelle commerciale

Les travaux chinois sur les réacteurs rapides remontent aux années 1960. Le China Experimental Fast Reactor a atteint sa première criticité en 2010, puis a réalisé plusieurs essais de puissance au cours des années suivantes, dont une période prolongée de fonctionnement à pleine puissance. Il sert à des travaux de recherche et est parfois raccordé au réseau. L’étape suivante est le CFR 600, composé de deux unités de démonstration dans le comté de Xiapu, dans la province du Fujian. La fourniture d’équipements et de combustible pour ces unités a notamment reposé sur une coopération avec des entreprises russes.

Les documents publics de planification présentent le CFR 1000 comme l’étape commerciale. Selon les informations de la World Nuclear Association, la construction pourrait débuter avant la fin de la décennie, pour une mise en service autour de 2034. La CNNC affirme avoir mis en place une chaîne d’approvisionnement nationale pour les grands réacteurs rapides, couvrant les codes de conception, les outils d’analyse de sûreté, la fabrication des équipements, la production du combustible et la gestion de projet. L’entreprise n’a pas communiqué le site retenu pour le premier CFR 1000.

Les documents du programme prévoient du combustible métallique pour la phase commerciale, avec un objectif de taux de combustion de l’ordre de 120 à 150 gigawattheures par tonne. Ces valeurs sont supérieures aux niveaux habituellement atteints dans les centrales thermiques. Un taux de combustion plus élevé réduit la fréquence des rechargements, la masse de combustible usé par unité d’électricité produite et permet une utilisation plus complète des ressources en uranium.

Cette feuille de route reflète une stratégie en trois étapes souvent évoquée par les responsables chinois. Premièrement, les réacteurs thermiques à eau pressurisée produisent de l’électricité à grande échelle. Deuxièmement, les réacteurs rapides améliorent l’efficacité d’utilisation du combustible et ouvrent la voie à un cycle fermé. Enfin, la fusion pourrait s’intégrer au bouquet énergétique à plus long terme. L’étape des réacteurs rapides vise à prolonger les ressources en uranium, à réduire la charge pesant sur les centres de stockage des déchets et à offrir de nouvelles possibilités de production de chaleur industrielle et d’isotopes.

Cycle du combustible, déchets et non-prolifération

Le retraitement du combustible usé pour en extraire les matières réutilisables est au cœur de l’argumentaire en faveur des réacteurs rapides en matière de déchets. En séparant le plutonium et l’uranium restant, puis en réinjectant dans le cœur les actinides à vie longue, le système peut réduire le volume et la radiotoxicité des matières destinées au stockage géologique profond. Cette perspective suppose toutefois de disposer d’installations de séparation à l’échelle industrielle et de chaînes de fabrication de combustible capables de traiter de nouveaux mélanges et des matières présentant des niveaux de rayonnement plus élevés.

La Chine exploite des lignes pilotes de retraitement et a étudié de grands projets avec des partenaires internationaux. Le pays fabrique déjà du combustible MOX et développe des capacités de production de combustible métallique adaptées aux cœurs des réacteurs rapides de la phase ultérieure. Chaque étape est soumise aux garanties prévues par le Traité sur la non-prolifération des armes nucléaires. Les inspecteurs comptabilisent les matières nucléaires sensibles et vérifient que le combustible sert à produire de l’énergie, et non des armes.

Les débats sur la non-prolifération portent souvent sur le plutonium. Les réacteurs rapides peuvent produire du plutonium 239 de grande pureté. Cela ne transforme pas un programme de production d’électricité en programme militaire, mais exige une comptabilité rigoureuse, une protection physique et un cadre politique solide. Les accords d’approvisionnement conclus par la Chine avec des partenaires russes pour du combustible enrichi et des technologies font également l’objet d’un examen attentif à l’étranger, dans un contexte de tensions géopolitiques plus larges. Une communication transparente et une coopération avec les organisations internationales feront partie de tout projet d’extension du parc.

La place du projet dans la course mondiale

La Chine n’est pas seule à relancer les réacteurs rapides. La Russie exploite le BN 800 à Beloyarsk et développe une unité plus puissante, le BN 1200, dont l’objectif est proche de 1,2 gigawatt. L’Inde poursuit la construction d’un réacteur à neutrons rapides surgénérateur de 500 mégawatts à Kalpakkam, avec une stratégie prévoyant le recours au thorium à une étape ultérieure du cycle. La France et le Japon ont construit plusieurs centrales avant de les fermer à la suite de difficultés techniques et de pressions sur les coûts. Les États-Unis ont abandonné leur programme de réacteur rapide intégré dans les années 1990 et n’exploitent aujourd’hui aucun réacteur rapide produisant de l’électricité.

De nouvelles conceptions progressent. TerraPower et GE Hitachi construisent dans le Wyoming un réacteur refroidi au sodium associant une unité nucléaire de 345 mégawatts à un stockage d’énergie dans des sels fondus, afin de fournir une production flexible. Plusieurs entreprises privées en Europe, au Japon et en Amérique du Nord travaillent sur des conceptions utilisant du plomb liquide, des turbines au dioxyde de carbone supercritique et d’autres innovations. Beaucoup de ces projets visent des unités modulaires de petite taille, tandis que la Chine et la Russie privilégient des centrales de l’ordre du gigawatt.

Ces programmes traduisent des priorités différentes. Certaines équipes cherchent à réduire les coûts et à simplifier la construction grâce à des unités plus petites. D’autres misent sur de très grandes centrales capables de remplacer de vastes installations au charbon et de répondre aux besoins des industries lourdes. Les résultats dépendront des performances en matière de sûreté, de la maîtrise des coûts et de la capacité de chaque pays à passer des premiers projets à des constructions en série. Le Forum international Génération IV, une alliance de recherche réunissant des gouvernements et des laboratoires, classe les réacteurs rapides refroidis au sodium, au plomb et au gaz parmi ses axes prioritaires de développement à long terme.

Économie et rôle dans le réseau électrique chinois

Une centrale de 1,2 gigawatt représente un investissement considérable, même si la CNNC n’a publié aucun chiffre. Les coûts d’investissement, les installations du cycle du combustible et les conditions de financement détermineront si le CFR 1000 peut rivaliser avec les réacteurs à eau pressurisée avancés, le charbon associé au captage du carbone et les grandes installations renouvelables couplées à du stockage. Ses partisans estiment qu’une fois le cycle fermé, les coûts du combustible pourraient baisser et la sécurité d’approvisionnement s’améliorer, car une grande partie de l’énergie provient de l’uranium 238, abondant.

La Chine développe un réseau électrique de très grande ampleur, desservant de nombreux centres industriels côtiers et des villes de l’intérieur en forte croissance. Les centrales nucléaires de grande puissance peuvent soutenir l’industrie lourde et la production d’hydrogène. Un réacteur rapide fonctionne aussi à des températures plus élevées qu’un réacteur à eau, ce qui peut améliorer le rendement de la production d’électricité et ouvrir des possibilités d’utilisation de chaleur industrielle. L’intégration à des sites existants accueillant des réacteurs à eau pressurisée permettrait de mutualiser les infrastructures et de disposer d’un approvisionnement régulier en combustible usé à recycler.

Le choix du site sera déterminant. Un emplacement côtier facilite l’évacuation de la chaleur et l’acheminement des composants lourds. Les sites de l’intérieur imposent des contraintes de gestion de l’eau et soulèvent des questions sismiques. Le choix du site fera aussi partie de l’examen réglementaire, car la centrale pose de nouvelles questions de sûreté concernant la planification des urgences et les évaluations environnementales propres à la manipulation du sodium.

Procédure réglementaire et calendrier

La CNNC affirme que la conception préliminaire est achevée et que le projet est entré dans la phase d’autorisation. En Chine, un grand réacteur doit faire l’objet d’un examen progressif couvrant les hypothèses de conception en matière de sûreté, la gestion des accidents graves, l’impact environnemental et l’assurance qualité tout au long de la chaîne d’approvisionnement. Pour un réacteur rapide, les autorités examineront la physique du cœur, le comportement du caloporteur en cas de conditions anormales et la robustesse des systèmes d’évacuation de la chaleur résiduelle.

Les indications disponibles tablent sur une décision de construction à la fin de la décennie et visent une production d’électricité autour de 2034, sous réserve que les étapes prévues soient franchies. Les essais des unités CFR 600 fourniront des données sur le comportement du combustible, les matériaux et les procédures d’exploitation. La coopération internationale peut accélérer l’apprentissage, et des équipes chinoises ont déjà travaillé avec des partenaires russes sur le combustible et les équipements de la phase de démonstration.

La communication publique pèsera sur l’acceptation du projet. Un plan transparent concernant la sûreté du sodium, les flux de déchets et les garanties contribuera à répondre aux préoccupations nationales et internationales. Si les autorités donnent leur feu vert à la construction, les premières années d’exploitation seront suivies de près par les ingénieurs et les investisseurs qui déterminent où miser sur les technologies nucléaires de nouvelle génération.

Points clés

• La CNNC a dévoilé la conception du réacteur à neutrons rapides CFR 1000, d’une puissance pouvant atteindre 1,2 gigawatt, dont la mise en service est visée autour de 2034.
• Le réacteur utilise du sodium liquide comme caloporteur et fonctionne à basse pression, avec des températures de sortie plus élevées que celles des unités refroidies à l’eau.
• La physique des réacteurs rapides permet un cycle fermé du combustible, qui produit de nouvelles matières fissiles à partir de l’uranium 238 et peut réduire les déchets à vie longue.
• Les principaux enjeux de sûreté concernent l’évacuation de la chaleur résiduelle, les réactions entre le sodium et l’eau dans les générateurs de vapeur et une forte rétroaction négative de réactivité.
• La Chine passe de l’expérience du CEFR aux unités de démonstration CFR 600, avant le CFR 1000 commercial.
• Le cycle du combustible et la non-prolifération resteront des enjeux centraux, car les réacteurs rapides produisent du plutonium qui doit être soumis à des garanties.
• La Russie, l’Inde et des entreprises privées américaines font également avancer des projets de réacteurs rapides, ouvrant un nouveau champ de compétition.
• Le financement, l’autorisation réglementaire et la maîtrise des coûts détermineront si cette technologie peut se déployer à grande échelle sur le réseau chinois.