Il est commode de classer historiquement les réacteurs nucléaires commerciaux en 4 "générations" :

- La première génération rassemble les réacteurs de l’époque pionnière, qui ont commencé à produire de l’électricité entre 1955 et 1970. Il s’agit d’une extrême variété de réacteurs différents dont beaucoup étaient des prototypes. La période est caractérisée par une rapide escalade de la taille des unités, de 60 à 800 MWe, avec de nombreux constructeurs différents et un manque presque absolu de standardisation (à l’ouest du rideau de fer).

- La deuxième génération, mise en service entre 1970 et 2005, est celle qui fournit aujourd’hui 16 % de l’électricité mondiale. Les puissances s’étagent entre 450 et 1450 MWe avec un fort groupement vers 1000 MWe. La grande majorité du parc se répartit entre les deux types de réacteurs qui utilisent de l’eau ordinaire à la fois pour ralentir les neutrons et refroidir le cœur, les réacteurs à eau sous pression REP et à eau bouillante REB. Un nombre plus réduit de constructeurs commencent à proposer des modèles standard construits en série.

- La troisième génération, conçue après l’accident de Tchernobyl avec une sûreté renforcée et une protection accrue contre les agressions externes, commence à être commercialisée. Il s’agit presque exclusivement de REP et REB "avancés", comme l’EPR décrit ci-dessous.

- Depuis 1999, un certains nombre de pays se sont associés pour définir les grands traits de réacteurs adaptés aux conditions qui devraient prévaloir vers 2040, et pour mener les programmes de Recherche & Développement qui permettront leur commercialisation à cette échéance. C’est la "Génération IV".

L’EPR, Evolutionary Power Reactor

Fruit du mariage des technologies nucléaires française et allemande, l’EPR est l’archétype des réacteurs de Génération III. De type REP et d’une puissance de 1600 MWe, il tire pleinement parti du retour d’expérience accumulé dans ses deux pays d’origine en gardant une grande continuité technologique avec les modèles récents N4 et Konvoi (d’où le qualificatif "évolutionnaire").

En revanche, il présente une révolution en matière de sûreté : non seulement il minimise encore le risque d’un accident majeur menant à une fusion du cœur grâce à une redondance accrue des systèmes de sauvegarde (4 systèmes distincts installés dans quatre bâtiments séparés et dont un seul suffit à empêcher l’accident), mais il garantit que, si un tel accident survenait quand même – le risque zéro n’existe pas dans la nature, le cœur fondu serait recueilli et solidifié à l’intérieur de l’enceinte, passivement, sans que l’opérateur ait à intervenir, et la radioactivité resterait confinée à l’intérieur de cette enceinte double. L’accident serait grave à l’intérieur, mais sans conséquence sur le public ni l’environnement.

En outre, le dessin en a été renforcé après les attentats du 11 septembre 2001 pour garantir qu’une attaque analogue à l’aide d’avions gros porteurs ne déclencherait pas un accident grave.

Au 1er janvier 2010, 4 EPR étaient en construction en Finlande et en France et en Chine, tandis que des compagnies américaines, italiennes, indiennes et britanniques manifestaient leur intérêt pour ce modèle. Dans les modèles concurrents, on peut mentionner l’ABWR et l’ESBWR de General Electric, l’AP 1000 de Toshiba-Westinghouse, l’APR coréen et l’AES 92 russe.

La Génération IV

Le "Forum International Génération IV", GIF, a commencé par définir les qualités attendues de ces futurs modèles. Le point peut-être le plus important, c’est que, si la "renaissance" actuelle du nucléaire prend une grande ampleur, on commencera vers 2040 à anticiper de fortes tensions sur le marché de l’uranium car les quantités nécessaires pour alimenter le parc mondial en service sur sa durée de vie deviendront proches des ressources ultimes de minerais classiques. Il faudra donc introduire des modèles utilisant l’uranium bien plus efficacement, les surgénérateurs à neutrons rapides. Ces mêmes réacteurs à neutrons rapides ont aussi la possibilité physique de transformes certains déchets radioactifs à vie longue (les "actinides mineurs") en déchets à vie plus courte, réduisant ainsi les contraintes sur le stockage de ces déchets.

Mais on attend aussi des réacteurs de la génération IV qu’ils soient robustes, économiques, qu’ils résistent encore mieux aux agressions et aux tentatives de détournement pour la prolifération des armements. On voudrait aussi ouvrir l’éventail de leurs usages au-delà de la seule production d’électricité : dessalement de l’eau de mer, chaleur industrielle, production d’hydrogène pour des carburants de synthèse, etc.

Après deux ans consacrés à étudier les projets anciens et nouveaux de réacteurs (plus d’une centaine !) en les passant au crible des critères ci-dessus, les spécialistes du GIF se sont accordés pour définir six "portraits-robots" de réacteurs dont la commercialisation serait désirable à l’horizon 2040. La phase suivante, la R&D, débute à peine.

Les six concepts retenus sont les suivants :

- 3 réacteurs surgénérateurs à neutrons rapides, refroidis respectivement par du sodium liquide (héritage de Phénix et Superphénix en France), au plomb liquide ou au gaz sous pression,

- 1 réacteur refroidi par un gaz à très haute température, visant surtout la chaleur industrielle et l’hydrogène,

- 1 réacteur à eau "supercritique", peut-être surgénérateur,

- 1 réacteur dont le combustible est un liquide (un sel fondu), sans doute optimisé pour utiliser le thorium.

La fusion nucléaire contrôlée

On peut extraire un peu de l’énergie de liaison des noyaux très lourds par la fission, mais on peut aussi extraire une partie de l’énergie de liaison des noyaux très légers par la fusion de deux d’entre eux. Cette fusion nucléaire est la source de l’énergie rayonnée par les étoiles, et en particulier par notre Soleil. Le soleil est un énorme réacteur nucléaire, et il a assez de combustible pour nous réchauffer encore 4 milliards d’années. L’énergie solaire est une forme particulière d’énergie nucléaire.

Le problème est qu’il s’agit de faire fusionner deux noyaux qui ont tous les deux une charge électrique positive, et qui se repoussent donc vigoureusement. Dans les étoiles, c’est la gravité engendrée par leur énorme masse qui surmonte cette répulsion électrostatique. Sur terre, ça ne peut pas être le même mécanisme, ni tout à fait les mêmes réactions.

La seule réaction de fusion qui soit à peu près à notre portée est celle que l’on met en œuvre dans les bombes H⁽¹⁾, à partir de deux isotopes de l’hydrogène, le deutérium D dont le noyau est composé d’un proton et d’un neutron, et le tritium T dont le noyau comporte un proton et deux neutrons. On trouve le deutérium en grande quantité mais en très faible proportion dans l’eau ordinaire, sous forme d’eau "lourde" D2O. Son extraction n’est pas très difficile mais elle requiert pas mal d’énergie. Quant au tritium, il est radioactif à vie courte (sa période est voisine de 12 ans), et il faut donc le fabriquer spécialement en faisant capturer un neutron par un noyau de lithium, élément assez abondant dans la croûte terrestre. Les réactions en cause sont les suivantes :

La réaction de fusion donne naissance à un noyau d’hélium stable et à un neutron qui emporte l’essentiel de l’énergie libérée. Ce neutron est nécessaire pour reformer un atome de tritium.

⁽¹⁾Dans une bombe H, on utilise une partie de l’énorme énergie relâchée par l’explosion d’une bombe A pour comprimer violemment le mélange et provoquer la fusion au cours de l’implosion. On essaie de reproduire le phénomène de façon non destructrice en focalisant de nombreux faisceaux laser sur une microbille contenant le mélange D-T, mais les éventuelles applications énergétiques de cette méthode de "confinement inertiel" sont encore plus lointaines que celles du "confinement magnétique" décrit ici.

Faute de gravitation suffisante, il faut forcer les noyaux de deutérium et de tritium à se rencontrer en leur communiquant une vitesse considérable par agitation thermique, c'est-à-dire en portant l’ensemble du mélange sous forme de plasma⁽²⁾ à une température de 100 millions de degrés ! Un plasma à cette température ne doit avoir aucun contact physique avec une paroi matérielle : il faut le confiner, l’enfermer dans une sorte de bouteille virtuelle à l’aide d’une combinaison de champs magnétique et électrique. C’est l’équipe russe de Lev Artsimovitch qui a inventé dès 1954 la machine appelée Tokamak qui permet ce confinement.

C’est un gros tokamak appelé ITER qui fera sans doute la démonstration de la faisabilité physique de maîtriser la fusion ailleurs que dans les bombes H.

⁽²⁾A très haute température, il ne s’agit plus de gaz formés d’atomes ou de molécules, mais d’une espèce de soupe de noyaux nus (des ions) et d’électrons séparés, le tout à très faible densité.

D’ITER à la fusion commerciale ?

Le 28 juin 2005, tous les pays qui s’intéressent à la fusion (Union Européenne, Japon, Fédération de Russie, Etats-Unis, Chine, Corée du Sud et Inde) ont décidé de construire en commun à Cadarache (Bouches du Rhône) le plus gros Tokamak du monde, baptisé ITER (la voie, en latin) pour International Tokamak Experimental Reactor.Cette installation devrait commencer ses expériences en 2016 et les poursuivre durant au moins une quinzaine d’années. On attend d’ITER qu’il apporte la démonstration physique de la fusion contrôlée par confinement magnétique, en produisant pendant plusieurs minutes 10 fois plus d’énergie que celle qu’il aura fallu injecter pour chauffer le plasma. A cette date, ITER sera un peu l’équivalent, pour la fusion, de ce qu’a été, pour la fission, la première réaction en chaîne du réacteur CP1 le 2 décembre 1942.

Avant de passer à un vrai réacteur de démonstration, il faudra, en plus d’ITER, réaliser tout un programme de développement de matériaux adaptés à cette technologie, notamment ceux qui feront face au plasma et qui devront résister à des températures très élevées ainsi qu’à un bombardement intense de neutrons de très haute énergie. Le "Démo" pourrait se construire vers 2030, suivi d’un prototype vers 2050. Ce n’est qu’à cette époque que l’on pourra évaluer sérieusement le potentiel économique de cette nouvelle source d’énergie très prometteuse.