Stratégie MOx : quelle incidence sur le parc nucléaire français ?

Nicolas Thiollière, chercheur en physique nucléaire à IMT Atlantique, et son équipe évaluent les différents futurs envisageables du parc nucléaire français. Parmi les questions qu’ils se posent : Comment diminuer la quantité de plutonium en circulation dans le cycle nucléaire ? Quel est l’impact du choix du combustible — et notamment le MOx — sur le parc ? Ils s’appuient pour cela sur un simulateur informatique permettant de modéliser différents scénarios : CLASS (Core Library for Advanced Scenario Simulation).

Aujourd’hui, le futur du parc nucléaire français est sujet à de nombreuses incertitudes. Nombre de réacteurs arrivent au bout de leur durée de vie industrielle d’une quarantaine d’années. De nouvelles démonstrations de faisabilité sont nécessaires en vue d’étendre leur durée d’utilisation. Afin de dissocier les trajectoires possibles et impossibles, Nicolas Thiollière, chercheur à IMT Atlantique rattaché au laboratoire Subatech, et son équipe réalisent des études de scénarios nucléaires. Ils évaluent dans ce cadre les futures options relatives au parc nucléaire français.

Comprendre le cycle du combustible nucléaire

Le cycle du combustible nucléaire représente l’ensemble des étapes depuis l’extraction d’un minerai jusqu’à la gestion des déchets radioactifs. Le combustible UOx, acronyme pour « oxydes d’uranium », constitue autour de 90% du combustible utilisé dans les 58 réacteurs à eau pressurisée du parc nucléaire français. Il se compose d’uranium enrichi en uranium 235. Après un cycle complet, c’est-à-dire un passage dans un réacteur, l’irradiation a généré environ 4 % de produits de fission (matière ayant servi à produire de l’énergie), 1 % de plutonium et enfin 0,1 % d’actinides mineurs. Dans la plupart des pays, ces éléments ne sont pas recyclés et on parle de cycle ouvert.

Cependant, la France adopte une stratégie de cycle partiellement fermé dans laquelle le plutonium est valorisé. Le plutonium n’est donc pas considéré comme un déchet bien qu’il constitue l’essentiel de la radiotoxicité, c’est-à-dire de la dangerosité à moyen et long terme des matières du cycle nucléaire — de quelques milliers à plusieurs millions d’années. La France dispose d’une filière de recyclage du plutonium basée sur le combustible MOx, pour « mélange d’oxydes ». « Le MOx est un combustible constitué de 5 à 8 % de plutonium produit lors du cycle de combustion des UOx, et complété par de l’uranium appauvri », explique Nicolas Thiollière.

L’utilisation de ce nouveau mélange fissible permet de diminuer légèrement la consommation de la ressource en uranium. Dans le parc nucléaire français, les MOx représentent environ 10 % du total des combustibles — le reste étant du combustible UOx. Après un cycle d’irradiation des MOx, il reste 3 à 5 % de plutonium qui n’est toujours pas considéré comme un déchet et qui pourrait être théoriquement à nouveau revalorisé, mais qui en pratique ne l’est pas actuellement. Le combustible MOx usé est donc entreposé en attente de traitement et constitue ainsi une réserve stratégique de plutonium. « On estime qu’il y a environ 350 tonnes de plutonium dans le cycle nucléaire français en 2018. La majeure partie se trouve dans les combustibles usés, UOx et MOx », précise Nicolas Thiollière. Grâce à leur simulations, les chercheurs estiment qu’en cycle ouvert — sans recyclage par la voie MOx — il y aurait approximativement 16 % de plutonium en plus en 2020 que ce qui est actuellement projeté en cycle fermé.

La stratégie des réacteurs à neutrons rapides

Dans les réacteurs à eau pressurisée actuels, il faut tout d’abord enrichir l’uranium naturel. Il faut de l’ordre de 8 unités massiques d’uranium naturel pour produire 1 unité d’uranium enrichi. Dans le réacteur, seul 4% de la masse de ce combustible subit des fissions et produit de l’énergie. Fissionner directement ou indirectement toute la masse d’uranium naturel permettrait de gagner un facteur 200 sur la ressource. En pratique, cela implique de multi-recycler le plutonium produit par l’absorption de neutrons sur l’uranium pendant l’irradiation, afin de l’incinérer en continu. L’utilisation de Réacteurs à Neutrons Rapides (RNR) figure parmi les voies industrielles envisageables. Les RNR sont basés sur l’utilisation de neutrons rapides qui ont l’avantage de fissionner le plutonium de manière plus efficace et donc de permettre plusieurs recyclages successifs.

Historiquement, le développement du combustible MOx s’inscrit d’ailleurs dans un plan industriel à long terme fondé sur le multi-recyclage du plutonium utilisé dans des RNR. Mais c’est une toute autre histoire qui est en train de s’écrire. Si trois RNR ont été exploités en France à partir des années 1960 (Rapsodie, Phénix puis Superphénix), la décision d’arrêt définitif de Superphénix par le conseil d’état en 1997 signe la fin du projet de déploiement des RNR en France. Les trois réacteurs pionniers ont tous fermé, et aucun RNR n’a été mis en service depuis. Toutefois, la loi de 2006 relative à la gestion durable des matières et déchets radioactifs redynamise le projet en fixant un objectif de mise en service d’un prototype RNR à l’horizon 2020. Le projet ASTRID, porté par le CEA (Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives), voit le jour.

Récemment, le financement de ce réacteur de puissance pré-industrielle (environ 600 mégawatts contre 1 gigawatt pour un réacteur industriel) a été revu à la baisse. La puissance du concept ASTRID, fortement réduite à 100 mégawatts, redéfinit son statut et repousse probablement le développement industriel potentiel des RNR au-delà de l’horizon 2080. « Sans la perspective de déploiement des RNR, la stratégie MOx est remise en question. En effet, le traitement industriel du plutonium est lourd et coûteux, pour un gain limité sur l’inventaire et la ressource si ce MOx n’est utilisé que dans les réacteurs actuels », remarque Nicolas Thiollière.

Dans ce contexte d’incertitude du déploiement des RNR et d’accumulation du plutonium dans le cycle, Nicolas Thiollière et son équipe posent donc la question : sous quelles conditions, à l’échelle du parc nucléaire, est-il possible de multi-recycler (recycler plus d’une fois) le plutonium dans des réacteurs de technologie actuelle de manière à stabiliser son inventaire ? En pratique, cela impliquerait un gros effort en recherche et développement afin de définir un nouveau type d’assemblage combustible compatible avec le multi-recyclage. « De nombreuses études théoriques ont déjà été menées par les industriels du nucléaire et quelques pistes pourraient être approfondies » affirme le chercheur.

Études de scénarios nucléaires : simuler différentes trajectoires du parc nucléaire

Baptiste Mouginot et Baptiste Leniau, anciens chercheurs au laboratoire Subatech, ont développé le simulateur de cycle CLASS (Core Library for Advanced Scenarios Simulations) de 2012 à 2016. Cet outil de modélisation fournit une évaluation scientifique des stratégies futures du cycle du combustible. Il permet ainsi de calculer et de suivre les inventaires et flux de matière au cours du temps dans l’ensemble des unités du parc nucléaire (usine de fabrication ou de séparation du combustible, centrale, etc.) à partir d’hypothèses d’évolution des usines et de la puissance nucléaire installée.

Dans le cadre du travail de thèse de Fanny Courtin encadré par Nicolas Thiollière, l’objectif de stabilisation de la quantité de plutonium recyclé en réacteur dans le parc nucléaire d’ici 2100 a été étudié. Une contrainte de simulation : les réacteurs du parc doivent tous être de la technologie actuelle à eau pressurisée. À partir de ce critère, l’outil CLASS réalise des milliers de simulations afin d’identifier les stratégies possibles. « La condition de stabilisation de la quantité de plutonium et d’actinides mineurs impliquerait d’avoir entre 40 et 50% de réacteurs à eau pressurisée dédiés au multi-recyclage du plutonium, explique Nicolas Thiollière. Par contre, la disponibilité du plutonium dans ces scénarios implique également une décroissance régulière de la puissance nucléaire à un niveau qui se situe entre 0 et 40 % de la puissance actuelle ». Cet effet provient du fait que les actinides mineurs ne sont pas recyclés et vont donc s’accumuler. Il faut donc être incinérateur en plutonium pour stabiliser l’inventaire total. Or, l’incinération du plutonium implique une réduction de la puissance du parc à un rythme équivalent.

Sur ces graphiques, chaque ligne représente une trajectoire possible. En violet, les chercheurs ont indiqué les scénarios qui satisfont une condition de stabilisation de la masse de plutonium et d’actinides mineurs en circulation (en haut). Ces scénarios impliquent une diminution de la puissance thermique du parc à l’échelle du siècle (en bas).

Les chercheurs ont également testé une condition de minimisation de l’inventaire en plutonium et actinides mineurs. En plus de l’augmentation du nombre de réacteurs dédiés au multi-recyclage, les chercheurs montrent que le scénario de réduction de la quantité de plutonium et d’actinides mineurs dans le cycle, implique une sortie du nucléaire en quelques années. Diminuer le stock de plutonium revient en effet à diminuer le stock de combustible, ce qui implique de ne plus en avoir assez pour alimenter toutes les centrales du parc nucléaire. « Imaginons que vous ayez 100 unités de plutonium pour alimenter 10 centrales. En sortie de cycle vous n’en aurez plus que 80 unités, et ne pourrez alimenter que 8 centrales. Vous en fermez 2. En recyclant les 80 unités vous en aurez encore moins en sortie, etc. » simplifie Nicolas Thiollière. En pratique, il apparaît donc peu concevable de déployer de gros efforts de R&D pour recycler les MOx sans RNR, alors que cette solution implique d’abandonner la technologie sur le court terme.

La faisabilité industrielle de ces trajectoires nécessite dans tous les cas une validation par des études de sûreté poussées. Au premier abord cependant, les scénarios de stabilisation du plutonium et des actinides mineurs s’avèrent donc compatibles avec la diversification du mix électrique et le déploiement des énergies renouvelables pour remplacer les sources nucléaires. L’intérêt des études de faisabilité industrielle, à la fois en termes de sûreté et de coûts, s’accroît donc face à l’incertitude liée au déploiement des réacteurs à neutrons rapides et à l’évolution future de la filière nucléaire. Et il est important de lever ces incertitudes économiques et sécuritaires avant d’envisager tout déploiement d’une stratégie de modification radicale du parc nucléaire français.