Les réacteurs nucléaires avancés et les prototypes de fusion peuvent-ils répondre à la demande d’énergie sans carbone ?
Avec une production d’énergie disponible 24h/24 et 7j/7 sans émissions de carbone, les réacteurs nucléaires avancés constituent une ressource de plus en plus attrayante pour équilibrer l’offre et la demande face à la variabilité de la production éolienne et solaire.
Comment Google utilise-t-il des réacteurs nucléaires avancés pour la durabilité ? Vidéo fournie par Google
Les réacteurs modulaires petits (SMR) prennent de l’ampleur en raison de leur potentiel à remplacer les centrales à charbon et à atténuer la volatilité des énergies renouvelables. Comme leur nom l’indique, la capacité des SMR (jusqu’à 300 MW) est inférieure à celle des centrales nucléaires classiques de gigawatts, mais leur conception pré-assemblée en usine offre des avantages en termes de construction et d’évolutivité.
Bien que l’inflation récente et d’autres revers financiers aient ralenti le développement de réacteurs avancés, les entreprises continuent de progresser dans la mise au point de prototypes pour prouver le potentiel de cette technologie dans le monde réel.
Les dernières évolutions du marché incluent un accord de fourniture d’énergie SMR avec Google, un prototype refroidi au liquide métallique, des concepts de conception européens, et un rapport sur l’exploitation des instruments photoniques pour le contrôle de la fusion.
Rendu d’Hermès, le réacteur démonstrateur à faible puissance de Kairos. Image fournie par Kairos Power
Google aidera Kairos Power à mettre en ligne son premier SMR en 2030. D’ici 2035, le géant technologique pourrait recevoir jusqu’à 500 MW des SMR de Kairos, qui seront situés dans des zones desservant ses centres de données.
L’intelligence artificielle entraîne une forte augmentation de la consommation d’énergie dans les centres de données de Google, impactant son objectif de ne plus avoir d’émissions nettes d’ici 2030. Les demandes des centres de données de Google sont le principal contributeur à ses émissions de Scope 2, une catégorie représentant 24 % de son empreinte carbone.
Concept de réacteur refroidi au sel de Kairos. Image fournie par Kairos Power
La petite taille et la conception modulaire des SMR réduisent les délais de construction et permettent une flexibilité pour un déploiement dans plusieurs lieux, offrant des opportunités précieuses pour les centres de données de Google. La société estime que des technologies propres et fiables comme les SMR pourraient réduire les coûts de 40 % par rapport à l’utilisation uniquement de l’énergie éolienne, solaire et du stockage par batteries lithium-ion.
Le SMR refroidi au sel de Kairos utilise un combustible en particules TRISO de forme céramique pour transférer la chaleur à une turbine à vapeur. La société prévoit de réaliser plusieurs tests pour améliorer l’efficacité de son démonstrateur Hermès, en commençant par un niveau de puissance thermique de 35 MW avant de passer à 320 MW pour les futurs réacteurs commerciaux. Hermès est en construction dans le Tennessee et commencera à fonctionner en 2026.
Prototype de fusion à l’échelle 100 kW dévoilé
Zap Energy, basée à Washington, a récemment dévoilé Century, une plateforme de test de fusion refroidie au liquide métallique de 100 kW intégrant trois éléments de conception : des murs en métal liquide faisant face au plasma, des alimentations électriques à impulsion, et un système pour atténuer les dommages aux électrodes causés par les flux de neutrons et la chaleur extrême.
La technologie de Zap génère des impulsions électriques à haute tension toutes les 10 secondes pendant plusieurs heures. Des échangeurs de chaleur refroidis à l’air éliminent alors le plasma absorbé par le métal liquide. Century marque l’un des plus grands tests impliquant une chambre tapissée de métal liquide face au plasma, démontrant 1 080 plasmas consécutifs en moins de trois heures.
Zap Energy exploite un pincement Z à flux partagé stabilisé, un phénomène où des champs électriques forment une force magnétique à haute puissance qui comprime la matière. Cette approche électromagnétique évite l’utilisation d’aimants supraconducteurs et de lasers, permettant un design plus compact.
La société a récemment levé 130 millions de dollars pour soutenir la commercialisation du projet, attirant des investisseurs de renom comme Soros Fund Management, Breakthrough Energy Ventures de Bill Gates, Chevron Technology Ventures, et Shell Ventures.
Unité de démonstration Century de Zap Energy. Image fournie par Zap Energy
En 2025, la plateforme augmentera progressivement sa puissance d’entrée moyenne à 100 kW, ce qui équivaut à concentrer la consommation électrique de 75 foyers dans une chambre de la taille d’un chauffe-eau.
La configuration initiale de Century circule avec 70 kg de bismuth liquide, bien que les itérations futures porteront ce chiffre à plus d’une tonne. Les centrales à pleine échelle intégreront plusieurs modules Zap Energy de 50 MW chacune.
Découvrez le projet Century de Zap Energy. Vidéo fournie par Zap Energy
Soutien des parties prenantes européennes aux SMR
L’Alliance industrielle européenne sur les SMR a sélectionné neuf projets pour un groupe de travail visant à évaluer les prochaines étapes pour déployer des SMR en Europe d’ici le début des années 2030. Le groupe comprend des concepteurs de SMR, des utilités, des utilisateurs intensifs d’énergie, ainsi que des institutions de recherche et financières. Chaque projet aura la possibilité de collaborer avec des partenaires intéressés.
Les projets sélectionnés comprennent les prototypes les plus avancés, comme le VOYGR de NuScale alimenté par un module à eau légère de 77 MW, le premier design de SMR certifié par la Commission américaine de réglementation nucléaire. Un autre design de Rolls-Royce représente la conception la plus avancée en Europe, avec une capacité suffisante pour générer jusqu’à 470 MW.
Rendus du design de l’usine SMR de Rolls-Royce. Images fournies par Rolls-Royce
Parmi les autres, on trouve le réacteur à sels fondus Thorizon One de 100 MW, le Project Quantum SMR de Last Energy de 20 MW, le design Nuward à double unité d’EDF, le SMR BWRX-300 de ORLEN Synthos Green Energy avec GE Hitachi, et le projet CityHeat de Calogena et Steady Energy qui peut être intégré aux réseaux de chaleur urbaine. L’alliance a également sélectionné deux conceptions refroidies au plomb : le réacteur rapide au plomb de newcleo et le projet EU-SMR-LFR, dirigé par quatre partenaires européens.
La photonique dans le développement de la technologie de fusion
Photonics21, une association de 4 000 membres regroupant des instituts de recherche et des acteurs industriels, a publié un rapport évaluant les avantages de la photonique pour optimiser les processus de fusion nucléaire. Le mécanisme de capture de la lumière peut contrôler les plasmas de fusion avec une grande précision et gérer des températures extrêmes via des technologies laser et optiques.
Les technologies photoniques existantes, telles que les caméras thermographiques avancées pour détecter les défauts électriques, le LiDAR pour améliorer l’efficacité des éoliennes, et les lasers pour améliorer les panneaux solaires, peuvent être réutilisées pour surveiller et contrôler des conditions extrêmes dans les centrales à fusion.
Le rapport met en évidence des lacunes techniques critiques. La plupart des approches de fusion se concentrent sur le chauffage du deutérium et du tritium à 100 millions de °C, mais ces deux isotopes ne sont pas abondants. Bien que les neutrons très énergétiques soient le produit cible de la fusion, ils affaiblissent également les matériaux environnants. Si le combustible devient trop chaud à l’intérieur du récipient, il doit être suspendu à l’aide de confinement magnétique, électrique ou électrostatique.
Les instruments basés sur la photonique peuvent résoudre ces défis en manipulant des combustibles extrêmement chauds. Les lasers, par exemple, peuvent confiner et comprimer la température et la pression pour induire la fusion. Ils peuvent également servir de systèmes de contrôle avancés pour la fabrication de composants de haute précision.
Liste des concepts de confinement de fusion nucléaire. Image fournie par Photonics21 (Pages 9 et 10, Tableau 1)
La fusion par confinement inertiel, qui consiste à tirer des impulsions laser synchronisées autour d’un mélange solide de deutérium et de tritium (D-T) pour le comprimer, pourrait bénéficier des outils photoniques en facilitant les changements de pression correspondants à la température et à la densité. Photonics21 a noté que les installations laser à l’échelle mégajoule pourraient comprimer le pellet de combustible D-T, et que des miroirs optiques avancés et d’autres composants comme les instruments de métrologie et les amplificateurs peuvent contrôler et synchroniser les faisceaux laser.
Le rapport aborde également la fusion par confinement magnétique, dans laquelle les dispositifs de tokamak et de stellarateur exploitent un champ magnétique puissant pour confiner le plasma. Les tokamaks sont meilleurs pour maintenir des conditions de plasma extrêmes, tandis que les stellarateurs gardent des températures stables.