Petits Réacteurs Modulaires (SMR) : L'Avenir du Nucléaire Décentralisé

Le nucléaire réinventé : petit, modulaire, flexible

Le nucléaire civil traverse une période de renaissance paradoxale. D'un côté, les grands réacteurs de génération III -- EPR, AP1000 -- accumulent les retards et les dépassements de coûts, comme en témoignent les chantiers d'Hinkley Point C au Royaume-Uni et de Flamanville en France. De l'autre, une nouvelle catégorie de réacteurs, les SMR (Small Modular Reactors), suscite un engouement sans précédent de la part des investisseurs, des gouvernements et même des géants de la tech comme Microsoft, Google et Amazon.

Les SMR sont définis par l'AIEA (Agence internationale de l'énergie atomique) comme des réacteurs nucléaires d'une puissance électrique inférieure à 300 MWe, conçus pour être fabriqués en usine sous forme de modules préassemblés, puis transportés et installés sur site. Par comparaison, un EPR comme celui de Flamanville développe 1 650 MWe. Cette réduction d'échelle n'est pas un retour en arrière technologique mais un changement de paradigme industriel : remplacer la construction sur mesure d'ouvrages géants par la fabrication en série de modules standardisés, à l'image de ce que l'industrie aéronautique fait depuis des décennies.

Le marché mondial des SMR est estimé à 300 milliards de dollars cumulés d'ici 2040 selon le rapport de la Nuclear Energy Agency (NEA) de l'OCDE. Plus de 80 concepts de SMR sont en cours de développement dans le monde, dont une vingtaine à un stade avancé de conception ou de certification. Cet article propose un panorama technique des technologies les plus prometteuses, des projets en cours et des défis qui restent à surmonter.

Les fondamentaux techniques des SMR

Le principe de modularité

La modularité est le concept clé qui distingue les SMR des réacteurs conventionnels. Un SMR est conçu pour que ses principaux composants -- cuve du réacteur, générateurs de vapeur, pressuriseur, systèmes de contrôle -- soient fabriqués dans des usines spécialisées, testés et qualifiés avant expédition. L'assemblage sur site se limite à l'interconnexion des modules et aux tests d'intégration, réduisant considérablement la durée de construction.

L'analogie avec l'industrie aéronautique est instructive. Un Airbus A350 est assemblé à Toulouse à partir de tronçons fabriqués dans différentes usines européennes (ailes à Broughton, fuselage à Hambourg et Nantes, empennage à Stade). Le processus est hautement standardisé, répétable et optimisable. Les promoteurs des SMR visent le même niveau de maturité industrielle pour la filière nucléaire.

Cette approche modulaire offre plusieurs avantages théoriques : des délais de construction réduits à 3-4 ans contre 10-15 ans pour un EPR, des coûts de financement moindres (le capital est immobilisé moins longtemps), une courbe d'apprentissage rapide grâce à la répétition en série, et une flexibilité de déploiement -- un site peut accueillir un, deux ou dix modules selon les besoins, avec une montée en puissance progressive.

La sûreté passive

L'autre innovation majeure des SMR est le recours systématique à des systèmes de sûreté passive, c'est-à-dire des mécanismes qui assurent le refroidissement du réacteur et le confinement des matières radioactives sans intervention humaine et sans alimentation électrique. Ces systèmes exploitent les lois de la physique -- gravité, convection naturelle, dilatation thermique -- pour garantir la sûreté en toute circonstance.

Dans un SMR à eau pressurisée de type intégral (iPWR), les générateurs de vapeur et le pressuriseur sont intégrés à l'intérieur de la cuve du réacteur, éliminant les tuyauteries de grand diamètre du circuit primaire. Cette conception supprime par construction le scénario d'accident de perte de réfrigérant primaire (LOCA), qui était au coeur de la séquence accidentelle de Fukushima. En cas de perte totale d'alimentation électrique, le refroidissement est assuré par convection naturelle entre le coeur, les générateurs de vapeur internes et un réservoir d'eau gravitaire situé au-dessus du réacteur.

La faible puissance des SMR joue également en faveur de la sûreté. La puissance résiduelle à évacuer après arrêt est proportionnelle à la puissance nominale : un SMR de 77 MWe (comme le VOYGR de NuScale) produit vingt fois moins de chaleur résiduelle qu'un EPR. Cette chaleur peut être évacuée par des surfaces d'échange passives dimensionnées de manière réaliste, sans recourir à des pompes de secours.

Les technologies SMR les plus avancées

NuScale Power VOYGR (États-Unis)

NuScale Power est le premier et, à ce jour, le seul concepteur de SMR à avoir obtenu la certification de conception (Design Certification) de la NRC (Nuclear Regulatory Commission) américaine, en janvier 2023. Le module NuScale est un réacteur à eau pressurisée intégral de 77 MWe (upgraded power module, initialement 50 MWe). Une centrale VOYGR complète comprend jusqu'à douze modules installés dans une piscine commune, pour une puissance totale de 924 MWe.

Chaque module mesure 23 mètres de haut et 4,6 mètres de diamètre, pesant environ 700 tonnes -- transportable par convoi exceptionnel routier ou ferroviaire. Le coeur contient 37 assemblages combustible de type standard 17x17, utilisant de l'UO2 enrichi à moins de 5 % en U-235, avec un cycle de rechargement de 24 mois.

Le projet phare de NuScale était la centrale Carbon Free Power Project (CFPP) sur le site de l'Idaho National Laboratory, en partenariat avec l'Utah Associated Municipal Power Systems (UAMPS). Après des révisions de coûts à la hausse (de 5,3 à 9,3 milliards de dollars pour 462 MWe, soit plus de 20 000 dollars par kWe installé), le projet a été suspendu fin 2023. NuScale a depuis réorienté sa stratégie vers des marchés internationaux -- Roumanie (accord avec RoPower Nuclear), Pologne, Kazakhstan -- où les conditions économiques et réglementaires sont plus favorables.

EDF-Nuward (France)

Le projet Nuward (Nuclear Forward), porté par EDF avec le CEA, TechnicAtome, Naval Group et Framatome, est le candidat français dans la course aux SMR. Il s'agit d'un réacteur à eau pressurisée intégral de 170 MWe par module, déployé en paire (340 MWe par centrale). La conception s'appuie sur l'expérience de TechnicAtome dans les réacteurs compacts de propulsion navale (sous-marins nucléaires de la classe Suffren) et sur les décennies de retour d'expérience d'EDF dans l'exploitation du parc nucléaire français.

Le design Nuward se distingue par son architecture compacte : le bâtiment réacteur, la piscine de stockage du combustible et le bâtiment conventionnel sont intégrés dans une structure semi-enterrée de dimensions réduites (empreinte au sol de 2 hectares pour la paire de modules). Le système de sûreté passive utilise un réservoir d'eau boré situé au-dessus de la cuve, capable d'assurer le refroidissement pendant 72 heures sans intervention humaine.

EDF vise un début de construction du premier prototype à l'horizon 2030 et une mise en service vers 2035. Le marché cible est le remplacement des centrales à charbon en Europe et au-delà, avec un prix objectif de 60 euros le mégawattheure -- compétitif avec l'éolien offshore mais avec l'avantage de la disponibilité pilotable 24h/24.

X-energy Xe-100 (États-Unis)

Le Xe-100 de X-energy représente une approche radicalement différente : un réacteur à haute température refroidi à l'hélium (HTGR), utilisant du combustible TRISO (Tri-structural Isotropic) sous forme de boulets (pebble bed). Les particules TRISO, de 1 mm de diamètre, sont composées d'un noyau d'oxyde d'uranium ou d'oxycarbure d'uranium enrobé de quatre couches concentriques de carbone pyrolytique et de carbure de silicium. Cette structure fait de chaque particule un micro-confinement capable de retenir les produits de fission jusqu'à 1 600 °C, bien au-delà des températures de fonctionnement normal (750-800 °C).

Le Xe-100 produit 80 MWe par module, avec une température de sortie de l'hélium de 750 °C, ce qui permet des applications de cogénération industrielle (production d'hydrogène par électrolyse à haute température, chaleur process pour la chimie et la pétrochimie) en plus de la production d'électricité. X-energy a reçu un financement de 1,2 milliard de dollars du programme ARDP (Advanced Reactor Demonstration Program) du Department of Energy américain. Le premier Xe-100 devrait être construit sur le site de Dow Chemical à Seadrift, Texas, pour fournir de la vapeur process et de l'électricité.

Autres concepts notables

Le paysage des SMR est foisonnant. Parmi les autres concepts avancés :

• Rolls-Royce SMR (Royaume-Uni) : PWR de 470 MWe, le plus gros des « petits » réacteurs, visant le marché britannique du remplacement charbon. L'évaluation de conception générique (GDA) par l'ONR est en cours, avec un premier déploiement prévu à Wylfa, au pays de Galles.

• BWRX-300 de GE-Hitachi : réacteur à eau bouillante simplifié de 300 MWe, en cours de certification au Canada (CNSC). Ontario Power Generation prévoit d'en construire un premier exemplaire à Darlington d'ici 2029.

• Kairos Power KP-FHR : réacteur à sels fluorés (FLiBe) refroidi par convection, avec combustible TRISO. Kairos construit un réacteur de démonstration (Hermes) à Oak Ridge, Tennessee.

• TerraPower Natrium : réacteur rapide à sodium de 345 MWe avec stockage thermique intégré (sel fondu), permettant de moduler la puissance électrique de 345 à 500 MWe en fonction de la demande. Le premier Natrium sera construit à Kemmerer, Wyoming, sur le site d'une ancienne centrale à charbon, avec un financement DOE de 2 milliards de dollars et le soutien de Bill Gates.

Les applications au-delà de l'électricité

L'un des arguments les plus convaincants des SMR est leur capacité à fournir de la chaleur industrielle décarbonée en plus de l'électricité. De nombreux procédés industriels nécessitent de la chaleur à des températures variées :

Application	Température requise	Réacteur adapté
Chauffage urbain	80-130 °C	iPWR (NuScale, Nuward)
Dessalement d'eau de mer	70-120 °C	iPWR
Industrie papetière	150-250 °C	iPWR
Chimie/pétrochimie	300-550 °C	iPWR, MSR
Production d'hydrogène (SOEC)	700-900 °C	HTGR (Xe-100), MSR
Sidérurgie (réduction directe)	900-1 100 °C	HTGR, Natrium

Les réacteurs à haute température (HTGR et MSR) sont particulièrement attractifs pour la production d'hydrogène par électrolyse à haute température (SOEC), dont le rendement thermodynamique augmente significativement avec la température. Un couplage HTGR-SOEC pourrait produire de l'hydrogène à un coût de 2 à 3 euros le kilogramme, compétitif avec l'hydrogène gris, tout en étant 100 % décarboné. Cette synergie entre nucléaire et hydrogène est au coeur de la stratégie de décarbonation des secteurs industriels lourds, comme détaillé dans notre article sur la fusion nucléaire et les avancées de la recherche.

L'intérêt croissant des hyperscalers (datacenters) pour les SMR illustre la diversification des marchés. Amazon Web Services a signé un accord avec Talen Energy pour l'alimentation de son datacenter de Susquehanna par une centrale nucléaire existante. Microsoft a conclu un partenariat avec Constellation Energy pour réactiver la centrale de Three Mile Island (unité 1, qui n'a jamais eu d'accident). Google a signé un accord d'achat d'électricité (PPA) avec Kairos Power pour des réacteurs KP-FHR. Ces accords illustrent la demande croissante en électricité pilotable et décarbonée pour alimenter les centres de données de l'intelligence artificielle.

Les défis réglementaires et industriels

La certification : un processus long et coûteux

La certification d'un nouveau design de réacteur nucléaire est un processus qui prend typiquement 5 à 10 ans et coûte plusieurs centaines de millions de dollars. Chaque autorité de sûreté nationale (NRC aux États-Unis, ASN en France, ONR au Royaume-Uni, CNSC au Canada) a ses propres exigences et procédures, ce qui fragmente le marché et empêche les économies d'échelle.

L'initiative OECD-NEA SMR Regulators Forum et le projet de reconnaissance mutuelle des certifications entre pays (concept de « licence passport ») visent à harmoniser les exigences réglementaires. Le Canada et le Royaume-Uni ont signé un accord de coopération pour partager les travaux d'évaluation du BWRX-300 de GE-Hitachi, un précédent prometteur.

En France, l'ASN a engagé le processus de revue de conception du Nuward, en collaboration avec le groupe permanent d'experts nucléaires. L'un des enjeux spécifiques aux SMR est la définition du plan d'urgence externe : la zone d'exclusion autour d'un SMR peut-elle être réduite par rapport à celle d'un réacteur de grande puissance, compte tenu de la sûreté passive et de l'inventaire radioactif plus faible ? La réponse à cette question conditionne la possibilité d'implanter des SMR à proximité des sites industriels qu'ils doivent alimenter.

La chaîne d'approvisionnement et la fabrication en série

La promesse économique des SMR repose sur l'effet de série : plus on fabrique de modules, plus le coût unitaire diminue. Mais cette courbe d'apprentissage ne se matérialisera que si les commandes atteignent un volume critique. L'industrie nucléaire, habituée à la construction artisanale d'ouvrages uniques, doit opérer une transformation culturelle profonde vers la fabrication en série de composants standardisés.

La chaîne d'approvisionnement en composants nucléaires qualifiés est étroite et concentrée. Les forgeurs capables de produire des cuves de réacteur ou des générateurs de vapeur de qualité nucléaire se comptent sur les doigts de deux mains : Japan Steel Works, Doosan (Corée du Sud), Shanghai Electric (Chine), Framatome/Creusot Forge (France). L'avantage des SMR est que leurs composants, plus petits, peuvent être fabriqués par un nombre plus large de forgerons et de chaudronniers, élargissant la base industrielle.

Le combustible HALEU

Plusieurs concepts de SMR avancés (Xe-100, Natrium, Kairos) nécessitent du combustible HALEU (High-Assay Low-Enriched Uranium), enrichi entre 5 et 20 % en U-235, contre moins de 5 % pour les réacteurs conventionnels. Or, la capacité mondiale de production de HALEU est quasiment nulle en dehors de la Russie (TENEX/Rosatom), qui fournissait historiquement l'essentiel du HALEU pour la recherche.

Les sanctions liées au conflit en Ukraine ont rendu cette dépendance intenable. Le DOE américain a lancé un programme d'urgence pour établir une filière HALEU domestique, avec Centrus Energy qui a démarré la production de HALEU à Piketon, Ohio, fin 2023, et un objectif de 6 tonnes par an. En Europe, Urenco étudie l'enrichissement au-delà de 5 % dans ses usines de Gronau (Allemagne), Almelo (Pays-Bas) et Capenhurst (Royaume-Uni). Ce goulet d'étranglement du combustible pourrait retarder le déploiement des SMR avancés de plusieurs années.

Le contexte français : entre ambition et rattrapage

La France, premier producteur mondial d'électricité nucléaire par habitant, a un intérêt stratégique évident dans les SMR. Le discours de Belfort de février 2022 a relancé le programme nucléaire français avec la commande de six EPR2 et l'objectif de disposer de SMR « innovants » d'ici 2035.

Au-delà de Nuward, l'écosystème français des SMR inclut plusieurs startups ambitieuses. Jimmy Energy développe un micro-réacteur de 10 MWe à eau pressurisée pour les sites industriels isolés. Naarea conçoit un réacteur à sels fondus de 40 MWe utilisant du combustible thorium/uranium, avec un premier prototype prévu pour 2030. Stellaria (issue du CNRS) travaille sur un réacteur à sels fondus de chlorure pour la transmutation des déchets nucléaires.

L'intégration des SMR dans le mix énergétique français aux côtés des réseaux électriques intelligents et des énergies renouvelables pose des questions systémiques passionnantes. Un parc de SMR modulables, capable de suivre la charge et de compenser l'intermittence de l'éolien et du solaire, pourrait offrir la flexibilité qui manque au parc nucléaire actuel, conçu pour la production en base.

Perspectives : quel avenir pour les SMR ?

Les SMR ne remplaceront pas les grands réacteurs mais les compléteront, en adressant des marchés et des usages inaccessibles aux centrales conventionnelles : sites industriels, régions isolées, remplacement de centrales à charbon, cogénération, production d'hydrogène, alimentation de datacenters.

Le succès commercial des SMR dépendra de trois facteurs critiques : la capacité à tenir les promesses de coût (objectif de 60-80 euros/MWh, comparable à l'éolien offshore), la rapidité du processus de certification (moins de 5 ans), et la mise en place d'une chaîne d'approvisionnement industrielle capable de produire des dizaines de modules par an.

La prochaine décennie sera décisive. Les premiers SMR commerciaux -- NuScale, BWRX-300, Xe-100, Natrium -- devraient être opérationnels avant 2030-2032, fournissant les données de coût et de performance réelles qui détermineront l'avenir de cette filière. Si les SMR parviennent à démontrer la compétitivité économique de la fabrication en série appliquée au nucléaire, ils pourraient transformer en profondeur le paysage énergétique mondial et constituer un pilier essentiel de la décarbonation industrielle.

Pour l'ingénieur nucléaire comme pour l'ingénieur généraliste, les SMR représentent une convergence fascinante entre conception mécanique, physique des réacteurs, automatique, génie des procédés et économie industrielle. C'est un domaine où l'innovation technique doit s'accompagner d'innovation réglementaire, financière et sociale pour tenir ses promesses.