Que sont les petits réacteurs modulaires, un nouveau type de centrale nucléaire recherché pour répondre à la demande énergétique de l’IA ?

Leonel Lagos, Florida International University

Alors que la demande en électricité aux États-Unis augmente et que les entreprises technologiques cherchent à construire des centres de données plus nombreux et plus grands pour alimenter les systèmes d’intelligence artificielle, la principale question est de savoir comment générer toute cette énergie.

Selon l’Agence internationale de l’énergie, les centres de données à grande échelle dans le monde ont utilisé environ 460 térawattheures d’électricité en 2022, un chiffre que les analystes prévoient de voir continuer à augmenter dans les années à venir.

Une solution potentielle proposée est l’énergie nucléaire – produite par les centrales nucléaires existantes à grande échelle, les anciennes réactivées, les nouvelles qui pourraient être construites avec des subventions gouvernementales, et d’autres types plus petits de centrales nucléaires qui sont en développement et pas encore disponibles.

Le débat sur l’alimentation des centres de données d’IA, en particulier, a impliqué un type de centrale nucléaire appelé petit réacteur modulaire. Selon l’Agence internationale de l’énergie atomique, il existe environ 70 conceptions différentes en cours de recherche et de développement dans le monde, y compris des réacteurs qui pourraient un jour servir de petites communautés ou des communautés éloignées, des applications militaires et même des navires en mer ou des vaisseaux spatiaux.

Les partisans affirment que ces conceptions de réacteurs fournissent une énergie constante sans émissions de carbone qui changent le climat. Ils peuvent également être situés à proximité des lieux qui ont besoin de leur énergie, réduisant ainsi la dépendance au réseau électrique. Ils ne seront pas disponibles commercialement avant plusieurs années : les projets de démonstration pourraient commencer la construction avant 2030, les projets commerciaux atteignant l’exploitation peut-être vers le milieu des années 2030. Et il n’y a pas encore de plan du département américain de l’Énergie pour gérer les déchets radioactifs qu’ils généreraient.

Je suis un ingénieur dont le travail se concentre sur l’industrie nucléaire, y compris la gestion des déchets et le déclassement des réacteurs nucléaires. Voici ce qu’est ce type de réacteur, comment il fonctionne et ce qu’il peut faire :

Les bases

Il existe trois tailles générales de réacteurs nucléaires – dont une seule, les centrales nucléaires conventionnelles, a été construite commercialement. Les centrales conventionnelles sont construites à des emplacements permanents sur de grandes parcelles de terrain autour de cœurs de réacteurs pouvant atteindre 30 pieds (10 mètres) de hauteur. Elles génèrent généralement plus de 1 000 mégawatts d’énergie, suffisamment pour alimenter 700 000 à 1 million de foyers.

Les autres types sont encore en cours de recherche et sont considérablement plus petits. Les micro-réacteurs ont des cœurs suffisamment petits pour tenir dans la remorque d’un semi-remorque. Ils peuvent être installés sur un terrain à peu près aussi grand qu’un terrain de football et générer moins de 20 mégawatts.

Les petits réacteurs modulaires se situent entre les deux. Leurs cœurs mesurent environ 9 pieds (3 mètres) de diamètre et 18 pieds (6 mètres) de hauteur. L’ensemble de l’opération occupe une superficie d’environ 50 acres et peut générer jusqu’à 300 mégawatts d’électricité.

En raison de la taille des réacteurs, ils peuvent être construits en usine à partir de divers composants, puis être expédiés par camion, rail ou voie navigable vers le lieu où ils sont assemblés.

Tous les différents types de petits réacteurs modulaires génèrent de la chaleur de la même manière : en divisant des atomes lourds et en capturant la chaleur dans une variété de matériaux – comme l’eau, les métaux liquides ou les sels fondus – qui circulent à travers l’eau pour générer de la vapeur qui entraîne une turbine.

Ils sont également conçus avec des caractéristiques de sécurité pour réduire le risque et la gravité des accidents qui pourraient libérer des rayonnements ou des matières radioactives dans l’environnement. Par exemple, les systèmes passifs et ceux basés sur des principes fondamentaux comme la gravité peuvent mettre fin aux réactions nucléaires avant qu’elles n’atteignent des niveaux où des explosions ou des fuites pourraient se produire. Ces réacteurs produisent également moins de chaleur et ont des quantités de matière nucléaire bien inférieures à celles des grands réacteurs traditionnels, ce qui peut également réduire le risque de radioactivité.

Construction et déploiement

Les petits réacteurs modulaires sont bien adaptés pour fournir de l’électricité dans des endroits éloignés ou des régions sans grand réseau électrique – des endroits où les grandes centrales nucléaires sont impraticables.

Leur conception compacte et leur placement flexible les rendent idéaux pour les petites régions géographiques ou les installations industrielles, comme les usines de dessalement, ou dans les pays qui commencent tout juste à développer l’énergie nucléaire.

Ils peuvent être construits et mis en service en deux ou trois ans – plus rapidement que la décennie ou plus qu’il peut falloir pour obtenir les autorisations et construire des centrales nucléaires standard et terminer la construction d’une grande centrale nucléaire.

Il reste un éventail de défis techniques avant que les petits réacteurs modulaires ne puissent réellement être construits et mis en service. Ceux-ci incluent des questions relativement simples comme le nombre de personnes nécessaires pour opérer chaque réacteur, et des décisions plus complexes sur les ajustements des réglementations de sécurité, à la fois aux États-Unis et à l’international. Il n’est pas non plus encore clair quelle est la meilleure façon de gérer le transport de matières radioactives, en particulier pour les réacteurs utilisant des caloporteurs autres que l’eau, ce qui pourrait produire de nouvelles formes de déchets radioactifs.

Comprendre le combustible

Les grandes centrales nucléaires utilisent un combustible qui contient environ 5 % d’uranium-235, l’élément qui se divise dans une réaction nucléaire, libérant de la chaleur. Mais de nombreuses conceptions de petits réacteurs modulaires utilisent un combustible différent, avec entre 5 % et 20 % d’uranium-235.

Ce combustible différent, appelé « uranium faiblement enrichi à teneur élevée » (HALEU), permet aux réacteurs de générer plus d’électricité à partir d’un plus petit volume de matière combustible. Et bien qu’il contienne significativement plus d’uranium que le combustible nucléaire standard, il reste bien en deçà de la concentration de 90 % d’uranium-235 utilisée dans les armes nucléaires.

Le combustible plus concentré permet également aux réacteurs de fonctionner plus longtemps entre les rechargements et réduit la quantité de déchets radioactifs qui restent après que le combustible est épuisé.

Efforts américains

Le département américain de l’Énergie travaille à développer une fabrication nationale de ce type d’uranium pour les petits réacteurs modulaires, afin d’éviter une dépendance à des sources étrangères.

Dans le cadre d’un contrat gouvernemental, une entreprise de combustible nucléaire basée dans le Maryland appelée Centrus Energy a produit près d’une tonne (920 kilogrammes) de ce combustible depuis 2023 sous un contrat estimé coûter 120 millions de dollars aux contribuables américains. À la mi-2025, Centrus a reçu une extension de contrat de 110 millions de dollars pour produire à nouveau cette quantité d’ici le milieu de 2026.

Le département de l’Énergie distribue le combustible fabriqué par Centrus à cinq entreprises pour des projets de démonstration et de développement.

Gestion des déchets

Toutes les centrales nucléaires nécessitent une manipulation sûre du combustible et des déchets qui en résultent. Il n’y a pas d’endroit permanent pour stocker les déchets nucléaires aux États-Unis. La plupart des déchets nucléaires sont stockés sur le terrain autour des réacteurs où ils ont été générés.

Le département de l’Énergie dit qu’il essaie de trouver un endroit pour stocker temporairement les déchets des petits réacteurs modulaires, mais ce processus est enlisé dans les tribunaux depuis des années et pourrait ne pas être résolu de sitôt.

Autres utilisations industrielles

En plus de fournir de l’électricité, les petits réacteurs modulaires peuvent également générer directement de grandes quantités de chaleur.

Cela peut être utile pour les usines de dessalement, qui utilisent à la fois de l’électricité et de la chaleur pour convertir l’eau de mer en eau douce pour la boisson et l’irrigation. Les opérations minières éloignées ont également souvent besoin à la fois de chaleur et d’énergie pour faire fonctionner l’équipement, s’assurer que les quartiers d’habitation sont habitables et traiter les minéraux.

Les petits réacteurs modulaires peuvent également être utiles sur les campus universitaires. Un micro-réacteur prévu pour l’Université de l’Illinois fournira de l’énergie et de la vapeur aux bâtiments du campus, tout en enseignant aux étudiants comment opérer des centrales nucléaires, et offrira des opportunités de recherche et de démonstration pour d’autres améliorations des réacteurs à l’avenir.

Leonel Lagos, Associate Professor of Construction Management; Director of Research, Applied Research Center, Florida International University

Cet article est republié de The Conversation sous licence Creative Commons. Lisez l’article original.