L'avenir de l'énergie nucléaire

28 novembre 2016

par Daniel Mcglynn, Université de Californie - Berkeley

Au début de cette année, Rachel Slaybaugh a assisté à un mixage sur le campus sur l'innovation technologique. Lorsqu'elle se présentait comme professeur de génie nucléaire, les autres participants s'arrêtaient et demandaient des éclaircissements. Elle se souvient : "Les gens disaient : 'Attends. Quoi ? Tu viens d'où ?'"

« Je ne sais pas si vous avez remarqué, répondait-elle, mais l'industrie nucléaire est un peu en retard en matière d'innovation.

Le secteur de l'énergie nucléaire est souvent perçu comme une industrie du siècle dernier. Mais cela change. Un marché croissant de startups soutenues par du capital-risque signale que nous sommes sur le point de passer au nucléaire.

Malgré une histoire mouvementée, l'attrait de l'énergie nucléaire - production d'électricité à grande échelle avec des émissions minimales - reste attrayant. Son faible taux d'émission est la raison pour laquelle le Groupe d'experts international des Nations Unies sur l'évolution du climat recommande de doubler la capacité nucléaire mondiale d'ici 2050.

L'énergie nucléaire en tant que stratégie efficace pour lutter contre le changement climatique, ainsi que la physique fascinante de la fission nucléaire, est ce qui a attiré Slaybaugh sur le terrain en premier lieu. "Je reviens sans cesse aux chiffres de la sécurité et des impacts", dit-elle. "Même sans tenir compte du changement climatique, il suffit de regarder l'impact de la pollution de l'air sur la santé publique. Je ne peux tout simplement pas trouver de réponse qui ne soit pas nucléaire."

Pourtant, la majeure partie des 100 réacteurs nucléaires actuellement en service aux États-Unis, qui continuent de produire environ 20 % de l'énergie du pays, arrivent à l'âge de la retraite et les forces du marché de l'énergie ne favorisent pas toujours le nucléaire.

En juin, le service public californien de gaz et d'électricité du Pacifique a annoncé son intention de fermer son réacteur Diablo Canyon, longtemps controversé, d'ici une décennie. La raison invoquée n'était pas des problèmes environnementaux ou des problèmes de sécurité, mais économique : le réacteur vieillissant ne peut pas rivaliser en termes de prix avec d'autres sources d'énergie. "Il est ironique qu'alors que les groupes environnementaux passent au pro-nucléaire ou au moins neutre sur le nucléaire, les centrales nucléaires existantes ferment, non pas à cause d'une réaction accrue du public, mais à cause de distorsions sur le marché de l'électricité", a déclaré Slaybaugh.

"Je suis très pro-renouvelables, mais les crédits d'impôt à la production sont versés à certaines ressources qui n'émettent pas de pollution atmosphérique et pas à d'autres", poursuit-elle. "Cela n'a pas beaucoup de sens."

Beaucoup se rendent compte que pour que la production d'énergie nucléaire ait un avenir, l'ensemble de l'industrie a besoin d'une refonte, y compris la façon dont les structures réglementaires et les marchés de l'énergie sont construits, ainsi que la façon dont les réacteurs nucléaires sont conçus, financés et construits. La nécessité d'une modernisation à l'échelle de l'industrie est évidente même dans la ville très partisane de Washington, DC, où les législateurs des deux côtés de l'allée sont largement d'accord sur le fait que le secteur nucléaire, l'une des industries les plus réglementées au monde, doit être plus accommodant. à de nouvelles entreprises.

De même, la formation d'une nouvelle main-d'œuvre nucléaire devra également être repensée. C'est pourquoi, avec un sentiment d'urgence et des vents favorables sur le plan politique, Slaybaugh a lancé un bootcamp sur l'innovation nucléaire. Tenu en août, le camp d'entraînement de deux semaines a accueilli 25 étudiants universitaires du monde entier et les a encouragés à imaginer à quoi ressemblerait le « nouveau nucléaire ». Slaybaugh a collaboré avec Third Way, un groupe de réflexion centriste basé à DC travaillant sur les questions liées à l'énergie nucléaire, ainsi qu'avec le consortium industriel Nuclear Innovation Alliance, pour développer le programme du cours de deux semaines.

"L'une des raisons pour lesquelles il est logique d'avoir ce bootcamp à Berkeley", explique Todd Allen, expert en énergie nucléaire et chercheur invité principal à Third Way, "c'est parce qu'il existe une culture de l'innovation. L'un des premiers incubateurs du ministère de l'Énergie , Cyclotron Road, est situé au laboratoire de Berkeley. La Bay Area possède toutes les pièces qui pourraient supporter quelque chose comme ça.

L'âge d'or du nucléaire a commencé immédiatement après la Seconde Guerre mondiale, lorsque le gouvernement fédéral a commencé à injecter des fonds de recherche et de développement dans la conception de réacteurs nucléaires commerciaux.

En 1951, dans un bâtiment en béton niché dans les plaines de broussailles d'armoises de l'est de l'Idaho, des scientifiques travaillant à la National Reactor Testing Station (qui fait maintenant partie du Idaho National Laboratory) ont actionné l'interrupteur du premier réacteur conçu pour convertir la chaleur dérivée de la division des atomes d'uranium. en électricité. Au cours de ses premiers scintillements de vie, le réacteur a allumé quatre ampoules de 200 watts, donnant le coup d'envoi d'une décennie de recherche et d'ingénierie pionnières, suivie de quatre décennies de controverse et d'échecs technologiques catastrophiques.

À la fin des années 1950, les premiers réacteurs nucléaires commerciaux à grande échelle ont été mis en service dans tout le pays. En 1960, la Commission de l'énergie atomique a estimé que la nation serait alimentée par des milliers de réacteurs nucléaires d'ici l'an 2000.

"À l'époque, la philosophie était que le déploiement commercial devait être effectué le plus rapidement possible", explique Per Peterson, professeur de génie nucléaire et doyen exécutif du collège. "Nous sommes devenus compétents dans la construction et l'exploitation de réacteurs refroidis à l'eau pour les sous-marins. Et puis nous nous sommes retrouvés enfermés dans ce type de technologie."

Malgré les premiers développements utilisant d'autres conceptions de réacteurs et configurations de combustible, l'industrie a opté pour cette conception unique - les réacteurs refroidis à l'eau, également appelés réacteurs à eau légère - comme norme universelle. Le temps et l'argent impliqués dans le processus d'autorisation réglementaire nucléaire rendaient les écarts par rapport à la conception acceptée prohibitifs.

Les réacteurs à eau légère produisent de l'électricité en créant de la vapeur pour faire tourner une turbine. Le combustible solide, généralement de l'uranium disposé en barres qu'il faut remplacer environ tous les quatre ans, est refroidi par de l'eau sous pression. Un accident dans un réacteur à eau légère peut libérer des matières radioactives sous forme de fines particules. Avec de la vapeur à haute pression, ces particules peuvent s'échapper d'un bâtiment de réacteur, comme dans les accidents très médiatisés de Tchernobyl et de Fukushima.

"L'espace de conséquences pour les accidents graves est assez important avec ce type de réacteur", déclare Peterson. "Par conséquent, il a fallu beaucoup d'efforts pour développer des systèmes actifs extrêmement fiables pour fournir des structures de refroidissement, de faible fuite et de confinement à haute pression, ce qui rend ces réacteurs plus chers. Ils ont donc été construits de plus en plus gros pour réaliser des économies d'échelle."

"En fin de compte, cela n'a pas semblé fonctionner très bien", dit-il.

En 1979, un réacteur à Three Mile Island en Pennsylvanie a connu une fusion partielle en raison d'une défaillance de vanne et d'une erreur humaine, entraînant l'évacuation de 140 000 personnes. À la suite de l'accident, les sentiments antinucléaires sont devenus le fondement du mouvement écologiste naissant du pays, soulevant des questions sur la sécurité des installations nucléaires et sur ce qu'il faut faire avec la pile croissante de barres de combustible nucléaire usagées.

Au cours des 30 années suivantes, la vision des débuts du nucléaire - des milliers de réacteurs produisant de l'énergie sans émissions - a été tempérée par l'économie et la politique.

Malgré les sombres perspectives de croissance, Slaybaugh s'est intéressé à une carrière en génie nucléaire en tant qu'étudiant de premier cycle à Penn State au début des années 2000. Elle s'est d'abord intéressée à la physique lorsqu'elle a obtenu un stage en alternance au réacteur de recherche de l'université.

Au cours de ses études supérieures à l'Université du Wisconsin, elle a commencé à étudier l'équation de transport de Boltzmann - "une équation unique qui décrit où se trouvent tous les neutrons dans un système nucléaire", explique Slaybaugh. "Tout dans un système nucléaire commence par l'endroit où se trouvent tous les neutrons, donc cela vous permet de comprendre tout le reste."

Travailler avec l'équation peut être difficile, c'est pourquoi Slaybaugh a développé une expertise dans la création d'algorithmes et de logiciels pour résoudre l'équation plus rapidement et plus efficacement, ce qui peut finalement être appliqué à la conception et à la modélisation de nouvelles technologies nucléaires.

"La modélisation véritablement prédictive finira par rendre beaucoup plus faisable, abordable et pratique de poser des questions sur ce qui va se passer dans les nouveaux scénarios de conception de réacteurs", a déclaré Slaybaugh. "J'ai également cette sérieuse préoccupation concernant les meilleures pratiques et la qualité : vous voulez vous assurer que les codes que vous utilisez dans les systèmes nucléaires fonctionnent."

"Fondamentalement", dit Slaybaugh, "je fabrique les outils que d'autres personnes utilisent pour faire des analyses. Je suis donc vraiment excité à l'idée de fabriquer de meilleurs marteaux pour que d'autres personnes puissent construire de meilleures maisons." Slaybaugh, récemment nommé par le secrétaire à l'énergie du comité consultatif sur l'énergie nucléaire, travaille également avec le Gateway for Accelerated Innovation in Nuclear (GAIN), un groupe organisé par le ministère de l'Énergie pour fournir des conseils sur les problèmes techniques, réglementaires et financiers auxquels ce l'industrie émergente du "nucléaire avancé".

Le nucléaire avancé est le terme générique utilisé pour décrire de nouvelles recherches sur des conceptions de réacteurs plus petits qui intègrent des combustibles nucléaires et des systèmes de refroidissement alternatifs. Certaines conceptions avancées réutilisent les déchets nucléaires existants comme combustible ; ou utiliser un combustible qui ne nécessite pas d'enrichissement, ce qui réduit les problèmes de sécurité liés à l'énergie nucléaire.

"Le gros problème, c'est que le gouvernement met les ressources de laboratoire nationales à la disposition des entreprises privées d'une manière qui ne l'était pas auparavant", a déclaré Slaybaugh. "Si vous êtes une startup nucléaire, vous ne pouvez pas aller plus loin avant d'avoir besoin de faire des essais, et vous n'allez pas construire une installation d'essais nucléaires, car c'est difficile et coûteux. Mais maintenant, vous pouvez vous associer à un laboratoire national pour utiliser leurs ressources expérimentales. J'ai parlé de la manière de mettre en place une filière universitaire pour ce type de recherche.

Au cours de l'année écoulée, Third Way, un partisan du bootcamp d'innovation nucléaire de Slaybaugh, a publié un certain nombre de rapports et de livres blancs définissant l'industrie nucléaire avancée. Ils ont trouvé 48 projets et entreprises en démarrage travaillant sur des technologies avancées d'énergie nucléaire, d'une valeur de plus de 1,3 milliard de dollars, partout aux États-Unis et au Canada.

L'un de ces projets est dirigé par le groupe de recherche de Per Peterson à Berkeley. Suite à son doctorat. recherche en génie mécanique à Berkeley, Peterson a commencé à concevoir des systèmes de sécurité passive pour les réacteurs à eau légère, dans le but de remplacer et de simplifier considérablement les systèmes de sécurité active que l'industrie avait initialement adoptés.

"En 2002", dit-il, "les États-Unis ont lancé un effort international sur les technologies nucléaires avancées appelée Génération IV. Cela nous a fait réfléchir à ce que nous voulions voir dans les technologies nucléaires avancées, au-delà de la simple sécurité passive."

Ces expériences ont conduit Peterson à conceptualiser des conceptions entièrement nouvelles. "Maintenant, la majorité de mes recherches portent sur les réacteurs avancés refroidis par des sels de fluorure fondus, qui ont connu des avancées majeures depuis que les sels fondus ont été étudiés pour la première fois pour des applications de réacteur à partir de la fin des années 1950", dit-il.

Les réacteurs à sels fondus sont refroidis par des sels fluorés qui se liquéfient et restent stables à des températures élevées. Ils n'ont pas besoin d'être pressurisés comme le font les réacteurs à eau légère, ce qui réduit la probabilité d'accidents à grande échelle.

"Les sels fondus sont des fluides caloporteurs fantastiques ; ils ont une énorme capacité calorifique volumétrique, ce qui signifie qu'ils sont remarquablement compacts. Cela vous permet de concevoir des cuves de réacteur ayant une durée de vie limitée, à remplacer plusieurs fois au cours de la vie d'un plante », dit Peterson. "Dès que vous vous concentrez sur la durée de vie limitée, vous êtes dans un espace très différent en termes d'innovation et de mise à niveau des anciens composants."

Nommé à la Commission Blue-Ribbon du Department of Energy sur l'avenir nucléaire américain en 2010, Peterson contribue également à la discussion nationale sur les nouvelles normes de réglementation nucléaire. "Nous voici à peine 10 ans après que la NASA a lancé son programme Commercial Orbital Transport Services pour financer des startups comme SpaceX, et un changement massif s'est produit avec l'idée que les startups du secteur privé peuvent être beaucoup plus agiles et continuer à travailler dans des domaines nécessitant des niveaux élevés. de technicité."

S'inspirer des succès d'autres industries fortement réglementées, dit Peterson, est ce qui le maintient optimiste. "Il existe un potentiel d'innovation rapide, et nous pouvons apporter des changements majeurs à la technologie nucléaire. C'est ce sur quoi nous devons travailler au cours de la prochaine décennie."

Fourni par Université de Californie - Berkeley