Éléments de sûreté des SMR : réflexions préliminaires

CEA, EDF, Naval Group et TechnicAtome présentent Nuward : projet commun de “petit réacteur modulaire”

Par Michel Duthé, 6 janvier 2024, ingénieur CEA, ex membre de l’ASN défense, ex membre de l’ASN civile, ex membre de l’IPSN devenu IRSN

Dans le contexte de la relance du nucléaire, et en particulier des SMR (small modular reactors) , il apparaît utile de s’intéresser à l’introduction de ces derniers dans le parc national du point de vue de la sûreté. Notre jeune président a été séduit par les communicants sur ce type de réacteur, « un nucléaire plus sûr, plus innovant, moins coûteux », dit-il, mais il est peut-être pertinent de s’interroger sur les fausses bonnes idées liées à ces annonces.

Pour les SMR comme pour toutes les installations du paysage nucléaire, tout commence par la sûreté.

  • SMR  small modular reactors (petits réacteurs de faible puissance < 300 MWe)
  • ASN   Autorité de sûreté nucléaire
  • IRSN  Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire (expertise au profit de l’ASN)
  • REP    Réacteur à eau pressurisée
  • GV     générateur de vapeur
  • SNA   sous-marin nucléaire d’attaque
  • SNLE  sous-marin nucléaire lanceur d’engins
  • CNPE  centre nucléaire de production d’électricité EDF
  • CEA    commissariat à l’énergie atomique (et aux énergies alternatives depuis quelques temps)

La sûreté des SMR

Dans cet article, on aborde de façon simple les enjeux de sûreté, assez mal connus du public, applicables aux SMR comme aux autres installations nucléaires. L’idée surgie dans l’esprit de certains technocrates que ces petits réacteurs seront plus faciles à introduire dans le parc nucléaire est une fausse bonne idée. La sûreté est la base de tout projet dans le domaine nucléaire et la sûreté est intransigeante. Les lignes qui suivent peuvent paraître un peu ardues pour un certain public, mais il va falloir s’y habituer car on va beaucoup en parler dans les prochaines années. Un petit cours de sûreté allégé n’est donc pas inutile…

On ne traite pas ici des options de sûreté intrinsèques aux SMR reposant notamment sur les systèmes de sûreté passifs. Ceux-ci sont en cours d’examen à l’ASN et à l’IRSN depuis peu, en particulier le modèle EDF/Nuward (en illustration de l’article) proposé au gouvernement. On se réserve de donner un avis le moment venu au vu des conclusions qui seront rendues publiques.

On se contentera de dire que la modélisation d’un système passif (circulation naturelle), souvent rencontré chez les SMR,  n’est pas simple et que des expérimentations risques d’être nécessaires en complément pour validation, et probablement insuffisantes pour couvrir tous les cas accidentels possibles par définition.

Dans la plupart des modèles il n’y a pas non plus de circuit intermédiaire entre le circuit primaire et la turbine. La seule barrière entre le circuit primaire actif et la turbine repose sur la fiabilité des GV intégrés. On sait, à l’expérience des REP, que les ruptures de tubes GV sont assez fréquentes, à telle enseigne qu’on finit par boucher sur les réacteurs actuels les tubes fuitards pour poursuivre l’exploitation.  Qu’un SMR soit de plus faible puissance ne change rien à ce phénomène de fatigue et de corrosion. Pire, la surveillance en exploitation d’un GV intégré dans la cuve primaire de nombre de SMR est encore plus problématique. On attend avec intérêt l’avis de l’ASN…

Plus généralement, il conviendra d’examiner pour ces petits réacteurs, exactement comme pour les autres, entre autres, les questions suivantes:

  • le risque de fusion du cœur,
  • le risque de criticité,
  • l’évacuation de la puissance résiduelle,
  • le confinement des matières radioactives,
  • la protection du personnel et du public contre les rayonnements ionisants,
  • la maîtrise des risques de radiolyse,
  • la maîtrise des opérations de manutention du combustible,
  • la gestion des déchets et de l’évacuation du combustible usé,
  • la formation du personnel et des équipes d’intervention (radioprotection, incendie) et de contrôle,
  • la maîtrise des effluents liquides et gazeux,
  • la maîtrise de la surveillance des trois barrières : gaine du combustible, cuve primaire, bâtiment réacteur (étendu au bâtiment turbine en l’absence de circuit intermédiaire comme souligné plus haut),
  • la maîtrise de l’exploitation et du traitement physique et procédurier des incidents,
  • le risque de manque de tension réseau (et ses incidences sur l’évacuation de la puissance résiduelle, le contrôle-commande, la surveillance radiologique,…) surtout si l’îlotage n’est pas prévu,
  • la maîtrise des interventions (réparations, assainissement),
  • la maîtrise des prestataires et de leur culture de sûreté,
  • la maîtrise des risques internes classiques (incendie, chute de charge, risque chimique, risque électrique, matériel sous pression, etc.),
  • la maîtrise des risque externes (environnement industriel, risque chimique, séisme, inondations, risques météo, chute d’avion, etc.),
  • la maîtrise du contrôle de l’environnement,
  • les agressions, la malveillance,
  • la préparation dès la conception de la fin de vie (assainissement, démantèlement),
  • la capacité à répondre aux demandes de l’Autorité de sûreté et de ses inspecteurs,
  • etc.

Les SMR dans le pays

En attendant la réglementation technique générale propre aux SMR qui reste à écrire, on peut émettre quelques réflexions, valables pour le modèle EDF Nuward et pour d’autres modèles.

EDF a demandé à l’ASN un avis préliminaire sur les SMR (type Nuward). Cela risque d’être assez délicat pour l’ASN. L’application des principes de sûreté aux SMR pourrait être sensiblement différente de celle de l’application habituelle aux réacteurs de puissance. L’ASN aurait intérêt à se rapprocher du DSND (Autorité de sûreté des installations intéressant la Défense). Celle-ci est plus habituée aux petits réacteurs de propulsion réalisés par Technicatome par exemple, pour les sous-marins SNA, SNLE et le PA (le porte-avions).

Se posent a priori plusieurs types de questions inusitées intéressant la sûreté.

Les SMR auraient vocation à être éparpillés au sein de la population et des industriels. En cas d’accident ils ne bénéficieraient pas d’un environnement sécurisé très large. A la différence des petits réacteurs actuels situés dans une base maritime ou un arsenal, et donc d’un périmètre de protection et de contre-mesures consécutives en cas de crise (plan préfectoral, confinement des populations, distribution de pastilles d’iode…)., analogue à ce qui se fait autour d’un centre nucléaire classique. De même, les petits réacteurs expérimentaux existants sont situés sur des centres CEA par exemple et bénéficient des plans d’intervention du centre d’accueil.

Disséminer les SMR au sein de la population paraît donc a priori un grave handicap pour cette option, sauf à les regrouper sur des centres nucléaires de préférence existants (CNPE EDF, centres CEA, usines de retraitement, entreposages déchets, fabrication de combustibles…), ou sauf à mettre au point un concept de sûreté dite passive ne nécessitant aucune intervention, ce qui paraît peu accessible, même si cet objectif magique est affiché, mais difficile à avaler du point de vue sûreté, le lecteur l’aura compris.

Un autre inconvénient pour la sûreté paraît être la multiplication des transports (que les SMR soient regroupés ou dispersés) : combustibles neufs, combustibles usagés, déchets d’’exploitation, etc.

Au final si on aboutit à regrouper des SMR sur un même site pour des raisons de sûreté ou pour mutualiser des équipements de protection (gardiennage, surveillance de la gendarmerie, installations électriques, Formation Locale de Sécurité (incendie, radioprotection), traitement des déchets, bénéfice de l’îlotage, etc.), autant construire un réacteur de puissance sur le site…

Par ailleurs dans un contexte d’exportation, une analyse stricte de l’environnement du pays d’accueil et de ses moyens s’avère très importante. Il ne faudrait pas prendre des risques sur le territoire national pour des motifs d’exportation.

En résumé, la sûreté déteste la dissémination.

Le dessin du réacteur

Les SMR auraient vocation à avoir une fonction de suivi de charge selon leurs promoteurs.

Ces réacteurs étant composés de pièces (cuves, tuyauteries, pompes, etc.) parfois massives, y compris dans un concept intégré, celles-ci supportent mal les variations de température et sont mieux adaptées à une marche “en base”. Les variations d’allure répétées causent des contraintes d’autant plus importantes que les pièces sont épaisses surtout avec des soudures, d’où il résulte une fatigue thermique … et le risque de fissures. Il faut donc examiner en détail le dessin des SMR et écarter ceux qui présentent des piquages de forte épaisseur par exemple soumis à transitoires thermiques.

Sans compter l’effet xénon sur les modèles à eau qui interdit les variations de charge trop rapides (problème d’exploitation, certains imaginent de découpler les SMR du réseau pour un usage particulier, ce qui complique l’analyse de sûreté), avec à la clé une durée de vie limitée.

Si l’on ne peut exclure une fusion du cœur il faut prévoir (comme sur les réacteurs de plus grande puissance) un possible percement de la cuve et un récupérateur du corium dans le Bâtiment Réacteur, ce qui rend moins attractif les SMR sur le plan économique.

Durée de vie

En l’absence de pompes primaires, et en cas de fonctionnement en circulation naturelle aussi bien en fonctionnement normal qu’en fonctionnement accidentel, il va être difficile d’analyser de façon fine la thermomécanique des pièces épaisses. On sera tenté de prendre des marges sur les amplitudes des cycles thermiques et sur leur nombre total admissible, ce qui risque de diminuer la durée de vie autorisée des SMR. S’ils sont 3 fois moins chers mais 3 fois moins pérennes, où est l’intérêt  économique?

IRSN

Les réflexions menées jusqu’à ce jour à l’IRSN sur de tels systèmes de sûreté passifs conduisent à souligner certaines difficultés intrinsèques, qui concernent notamment :

  • l’évaluation de leurs performances : l’évaluation des systèmes de sûreté passifs nécessite une bonne compréhension des phénomènes physiques à la base de leur fonctionnement ainsi que des capacités de simulation de ces phénomènes ;
  • l’évaluation de leur fiabilité : le développement d’approches spécifiques apparaît nécessaire pour être en mesure d’évaluer correctement la fiabilité des systèmes de sûreté passifs, notamment en considérant les possibilités de défaillance des phénomènes thermohydrauliques mis en jeu dans ces systèmes.

Objectifs de sûreté

On entend toujours poser la même question: “est-ce que c’est dangereux?”

Ce n’est pas la bonne question qu’il faut se poser car tout est dangereux dans la vie, dont la vie elle-même qui finit mal.

La question à se poser,  pour le nucléaire comme pour n’importe quelle activité humaine, est: “les risques sont-ils maîtrisés ?”

Autrement dit, les mesures de prévention (et non de “précaution”) sont-elles suffisantes, à la hauteur de l’enjeu et de ce qu’on connaît du risque potentiel?

Dans le nucléaire les mesures de prévention sont suffisamment poussées pour protéger le personnel des centrales, labos et usines, installations de traitement des déchets, l’environnement et le public dans l’état actuel des connaissances et pour un coût social et économique acceptable. Ainsi pour un réacteur nucléaire, le risque de fusion du cœur (accident redouté le plus grave) est rejeté à 10-5 fois à 10-6 / an et par réacteur, grâce à un système de prévention comprenant trois barrières (de natures diverses et redondantes afin d’abaisser le niveau de risque précité) auquel on ajoute des dispositions de limitation des conséquences si un accident survient néanmoins.

Chaque barrière est chiffrée, par exemple : les 2 barrières de conception (mécanique, diversification, contrôle-commande)=10-4, la barrière exploitation=10-1 à 10-2.

Avec les systèmes passifs, il est plus difficile de quantifier les taux de défaillance. La circulation naturelle peut être contrariée par des paramètres mal identifiés : pertes de charge, répartition du fluide de refroidissement entre les crayons combustibles, variations de température, variations de pression dans la cuve, conditions externes changeantes…La démonstration de sûreté sera moins aisée, et à l’évidence des expérimentations ne pourront couvrir tous les cas.

Séisme

Ces engins ont aussi vocation à l’exportation, y compris dans des pays à forte sismicité.

En cas de séisme, les barres de commande ne peuvent tomber de leur propre poids à cause de la pression dans la cuve pour certains types de SMR. Il faut donc dans certains cas prévoir un système actif pour arrêter le réacteur.

Réglementation

Si l’on doit modifier la réglementation générale pour faciliter l’introduction des SMR, non comme le croient les esprits naïfs de certains technocrates, cela va prendre des années. Il est hors de question, pour le bien lui-même de la filière (acceptation du public) de réécrire la réglementation générale simultanément à l’instruction des dossiers. On ne peut plus faire ce que l’on a fait dans les années 70. Le système français de contrôle de la sûreté est trop assis, et heureusement. A l’inverse, si on introduit les SMR dans le cadre de la réglementation générale existante, ceux-ci risquent de perdre une partie de leur intérêt.

Cette problématique est encore plus aiguë dans les pays à faible culture de sûreté.

Ceci n’empêche pas de poursuivre les recherches, et d’espérer un gain avec l’effet de série, mais il faut rester attentif et ne pas s’emballer trop vite…

L’introduction des SMR est moins évidente qu’il n’y paraît, alors que l’absence de surgénérateur dans le projet de relance est plus grave, mais ceci est un autre sujet.

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2 réponses

  1. Les SMR, futur suicide de l’industrie nucléaire ?
    La dissémination des petits réacteurs dans tout le pays, voire dans le monde entier, entrainera nécessairement un grand nombre de problèmes. Des SMR ne seront pas entretenus, des corrosions pas détectées, certains seront carrément “oubliés” dans un coin et termineront leur vie au fond d’un garage ou dans une décharge. Il en résultera des accidents avec émanations radioactives même minimes, qui seront exploitées par les anti-nucléaires. Greenpeace aura sous la main des centaines de petits FUKUSHIMA à exploiter et il y aura un coup de frein dramatique sur toutes les installations nucléaires, même les plus sures.

    1. Votre commentaire est sévère, mais déjà suggéré dans l’article, en termes plus voilés…La solution serait d’installer ces engins sur des centres CEA ou des CNPE EDF. Ce serait plus inquiétant à l’export, mais nous n’y pouvons pas grand-chose, sauf à instruire les autorités locales, si nous sommes précédés par les USA ou la Chine…J’ai cru comprendre que le 1er Nuward serait implanté à Marcoule.

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