Les projets d’expansion de l’énergie nucléaire mettent en évidence les goulots d’étranglement du combustible


L'énergie nucléaire a été placée sous le feu des projecteurs en décembre avec une déclaration lors de la réunion sur le climat COP28 visant à tripler sa capacité d'ici 2050. La déclaration a salué le rôle de l'énergie nucléaire dans l'atteinte de zéro émission nette de gaz à effet de serre à l'échelle mondiale d'ici 2050.

Pourtant, de nombreux observateurs du secteur doutent que cette ambition puisse être réalisée. «Si j'étais un parieur, je donnerais une probabilité de dix contre un que cela se produise», déclare Matthew Bunn, professeur d'énergie et de politique étrangère à l'Université Harvard, aux États-Unis. On ne construit pas assez de nouveaux réacteurs.

Parallèlement, l’approvisionnement en combustible pour les réacteurs nucléaires est compliqué par la dépendance à l’égard de la Russie à différents stades de la chaîne d’approvisionnement et par le manque fréquent de bénéfices des entreprises commerciales impliquées, qui sont en concurrence avec les entreprises soutenues par l’État en Russie et en Chine.

L'uranium n'est pas la principale contrainte pesant sur l'approvisionnement en combustible nucléaire. «Il y a beaucoup d'uranium dans le monde», déclare Bunn. Tout le monde sait combien de réacteurs nucléaires fonctionnent et quelle quantité d’uranium ils ont besoin. «On pourrait donc s'attendre à ce que les prix soient sacrément stables», explique-t-il. « Cette attente serait fausse. »

Hausse des prix

Le prix de l'uranium a fortement augmenté pour atteindre 90 dollars (70 £) la livre au second semestre 2023, après avoir oscillé autour de 20 dollars/livre en 2017, et dépassé 40 dollars/livre après l'invasion russe de l'Ukraine en 2022. Il y a une demande croissante couplée à un manque de réponse suffisante de l'offre», déclare Jonathan Hinze, président d'UxC, une société d'études de marché pour l'industrie nucléaire.

Le Kazakhstan est le plus grand producteur d'uranium au monde, avec environ 40 % de la production totale. Même si quelques mines supplémentaires sont attendues dans ce pays, « nous avons vraiment besoin de voir davantage de nouvelles mines dans des pays comme le Canada, l'Australie et l'Afrique », déclare Hinze.

L’exploitation minière n’est qu’un début. La chaîne d'approvisionnement part d'une mine et passe par trois autres étapes : chacun est un marché en soi. L'uranium est extrait et broyé en oxyde d'uranium (U3Ô8), puis expédiés vers des installations pour être convertis en gaz hexafluorure d'uranium (UF6), en préparation à l’enrichissement.

Oxyde d'uranium en poudre de gâteau jaune

L’uranium extrait contient 99,2 % d’U-238 et seulement 0,7 % d’U-235. Les usines d'enrichissement utilisent des milliers de centrifugeuses pour enrichir l'U-235 jusqu'à environ 5 %, comme l'exige une centrale électrique typique. Mais l’enrichissement implique la géopolitique. « Malheureusement, la concentration à 3-5 % pour un réacteur commercial utilise exactement la même technologie que la concentration à 90 % pour une bombe nucléaire, et il s'agit d'un processus qui s'accélère de façon exponentielle », explique Bunn.

Après enrichissement, UF6 est converti en dioxyde d'uranium (UO2) et transformés en pastilles et barres de combustible, conçues pour des types de réacteurs spécifiques. Le format requis dépend de la personne qui a construit le réacteur, qu'il s'agisse d'une conception française, américaine, chinoise ou russe. Un réacteur à eau sous pression générant 1 GW d’électricité, par exemple, pourrait contenir plus de 50 000 barres de combustible avec plus de 18 millions de pastilles.

Contraintes de conversion

Le Kazakhstan est un géant du secteur minier, avec 13 mines actives produisant près de 19 500 tonnes métriques en 2020. L’Australie en a produit 6 200 tonnes, la Namibie 5 400 tonnes et le Canada 3 800 tonnes. Mais les Kazakhs comptent sur la Russie pour transformer l'uranium en UF6la Russie détenant près de 40 % du marché mondial de la conversion, devant la Chine et le Canada, la France étant loin derrière.

« La conversion est extrêmement limitée pour le moment compte tenu des récentes pannes d'usine et d'autres défis opérationnels », selon Hinze. « La décision de l'Occident et d'autres marchés de réduire ou d'éliminer leur dépendance à l'égard de la Russie signifie que les autres producteurs doivent augmenter leurs capacités pour compenser la perte des approvisionnements russes. »

Sans surprise, la Russie détient également une part importante de l'étape d'enrichissement, avec 46 % de part de marché en 2018. La société d'État Tenex a fourni 30 % des services d'enrichissement aux services publics de l'UE en 2019, selon un récent rapport du Centre sur la politique énergétique mondiale de l'UE. Université Columbia à New York, États-Unis.

« La Russie est assez importante sur le marché de la conversion, mais ce n'est pas obligatoire », déclare Bunn. La capacité de conversion est sous-utilisée dans plusieurs autres pays. '[But] La Russie joue un rôle extrêmement important sur le marché de l'enrichissement. L’enrichissement est plus difficile à modifier et constitue en partie un héritage de la guerre froide, lorsque la Russie possédait d’immenses installations pour son industrie nucléaire civile et militaire.

Enrichissement par centrifugation d'uranium gazeux

Même les États-Unis importent de l'uranium enrichi de Russie, qui a commencé avec un programme baptisé « mégatonnes en mégawatts » qui a vu de grandes quantités d'uranium hautement enrichi de qualité militaire converties en combustible pour les centrales électriques américaines. Cette initiative s'est déroulée de 1993 à 2013 et est considérée comme l'une des initiatives de non-prolifération les plus réussies au monde.

Le gouvernement américain a privatisé ses installations d’enrichissement, créant la United States Enrichment Enterprise en 1992, qui renaît sous le nom de Centrus en 2014 après sa faillite. Pendant ce temps, les installations soviétiques de traitement de l’uranium continuaient à fonctionner. «Ils possédaient d'énormes usines d'enrichissement avec peu de choses à faire, ils proposaient donc des prix bas et obtenaient beaucoup de contrats», explique Bunn. « Parce que l'enrichissement russe était bon marché, nous sommes tous devenus dépendants de la Russie. »

Rosatom (Russie) est le plus grand fournisseur de services d'enrichissement, suivi par Urenco (Royaume-Uni, Pays-Bas, Allemagne et États-Unis) et Orano (France). « Urenco, par exemple, n'a pas augmenté sa capacité, car il n'y avait aucune incitation au profit », explique Bunn. « Le marché était excédentaire en uranium enrichi. »

Des changements sont en cours. En octobre 2023, Orano a annoncé prévoir d'augmenter de près de 30 % sa capacité d'enrichissement dans le sud de la France, pour réduire la dépendance de ses clients aux approvisionnements russes.

Demande chinoise

La Chine a cependant développé d’importantes capacités de conversion et d’enrichissement, dépassant ses besoins civils. « Les Chinois ont étendu leurs capacités comme des gangbusters parce qu'il s'agit d'entreprises publiques. Ils n'ont pas à se soucier de la situation des bénéfices», déclare Bunn. « Ils s'inquiètent des coupures d'approvisionnement étranger et du fait d'être autonomes. »

Une partie de cet uranium enrichi sera utilisée pour fabriquer des armes, une autre pourra être exportée. Pour l’uranium, la Chine a adopté une stratégie sur trois marchés : investir dans les mines d’uranium nationales, acheter des mines à l’étranger pour renvoyer l’uranium en Chine et acheter des fournitures sur les marchés internationaux.

Entre 2010 et 2020, la Chine a construit 36 ​​nouveaux réacteurs nucléaires, selon l'Agence internationale de l'énergie atomique. La construction de centrales nucléaires en Chine a récemment ralenti, explique Bunn : « Ils ont construit un nombre considérable de centrales électriques et disposent de plus d'électricité que ce dont ils ont besoin. » Un autre obstacle est que les nouvelles centrales peuvent susciter l'opposition du public et que les autorités chinoises prennent en compte les protestations lorsqu'elles évaluent les performances des responsables du gouvernement local, ajoute Bunn.

Alors que les puissances occidentales envisagent de s’éloigner d’une dépendance excessive à l’égard de la Russie pour la conversion et l’enrichissement, elles sont réticentes à abandonner leur dépendance à l’égard de la Chine. « Le monde en dehors de la Russie et de la Chine s'éloigne rapidement des approvisionnements de ces pays », explique Hinze. « Cependant, ces mesures signifient que les coûts du combustible nucléaire augmentent et que les chaînes d'approvisionnement se resserrent. »

Dépendance aux réacteurs russes

La Russie a également été un exportateur majeur de réacteurs au cours des dernières décennies. Des réacteurs russes sont en service en Russie, en Ukraine, en Hongrie, en Tchéquie, en Slovaquie et ailleurs. D'autres sont en construction, par exemple en Turquie, en Hongrie, au Bangladesh et en Slovaquie. « La Russie propose même des contrats de construction et d'exploitation, dans lesquels ils viendront vous construire un réacteur sans que vous payiez un centime », explique Bunn. « Ils exploiteront le réacteur et gagneront de l'argent grâce aux ventes d'électricité au fil des décennies. » La Russie reprendra également le combustible usé. Sa société d'État, Rosatom, a de grands projets avec l'Iran, l'Afrique du Sud et l'Egypte, entre autres.

Les Chinois ont étendu leurs capacités comme des gangbusters parce qu’il s’agit d’entreprises publiques. Ils n'ont pas à s'inquiéter de la situation des bénéfices

Cela peut rendre les pays dépendants de la Russie pour l’exploitation et/ou la maintenance de leurs réacteurs. Et comme chaque type de centrale nécessite des assemblages combustibles spécifiques, les réacteurs de conception russe utilisent traditionnellement du combustible fabriqué en Russie. « La Russie va rester pendant longtemps un acteur majeur sur les marchés nucléaires », prédit Bunn.

Une analyse récente a examiné la diplomatie nucléaire russe dans le contexte de la guerre en Ukraine. Étant donné que Rosatom appartient entièrement à l’État russe, il peut être utilisé pour exercer une pression politique et projeter son pouvoir à l’échelle mondiale. « Pour la plupart des États alignés sur l'Occident, il sera inconcevable d'entrer dans une nouvelle forme de dépendance ou même de coopération non dépendante avec la Russie dans le secteur de l'énergie nucléaire », notent les auteurs.

Néanmoins, des alternatives émergent. En septembre 2023, le fournisseur américain de services nucléaires Westinghouse a livré en Ukraine les premiers assemblages combustibles destinés aux réacteurs de conception russe depuis une usine de fabrication en Suède. L'Ukraine a salué cette décision comme la fin du monopole russe sur ce segment du marché du combustible nucléaire.

« La question clé maintenant est de savoir à quelle vitesse Westinghouse peut se développer, étant donné qu'il existe de nombreux pays dotés d'usines de conception russe », explique Bunn. D’autres également s’efforcent de soutenir l’approvisionnement en combustible domestique. Saparro 5 est un groupe de cinq pays (Canada, Japon, France, Royaume-Uni et États-Unis) qui vise à établir un marché d'approvisionnement en uranium résilient, libre de l'influence russe « et du potentiel d'être soumis à l'influence politique d'autres pays ». Lors de la COP28, elle a annoncé son intention d'investir conjointement au moins 4,2 milliards de dollars pour renforcer la capacité d'enrichissement et de conversion au cours des trois prochaines années.

Parallèlement, le Congrès américain s'efforce d'interdire formellement toutes les importations d'uranium russe d'ici 2028. L'un des points de friction de ces efforts est l'HALEU (uranium faiblement enrichi à haute teneur), qui est enrichi en uranium 235 entre 5 et 5 %. 20 %. « Jusqu'à l'invasion russe de l'Ukraine, la Russie était le seul pays doté d'une usine autorisée à produire des matières enrichies à un taux d'enrichissement supérieur à 5 % », explique Bunn. La feuille de route du nucléaire civil du Royaume-Uni, annoncée le 11 janvier, promet jusqu'à 300 millions de livres sterling d'investissement spécifiquement pour développer la production de combustible HALEU, « la première centrale devant être opérationnelle au début de la prochaine décennie ».

Des réacteurs avancés, notamment aux États-Unis, sont en cours de développement pour fonctionner avec ce combustible. Ces réacteurs seraient « plus petits, plus flexibles et moins coûteux à construire et à exploiter », selon le ministère américain de l'Énergie. Aux États-Unis, Centrus Energy affirme être un pionnier en matière d'HALEU pour alimenter les réacteurs existants et futurs. Bunn affirme que l'entreprise est désormais bien placée pour rechercher des subventions supplémentaires auprès du gouvernement américain afin d'étendre sa capacité d'enrichissement.

Lent et cher

Pourtant, malgré les efforts visant à réduire les émissions de carbone, le nucléaire croupit dans le marasme. L’adoption de petits réacteurs HALEU a plutôt ralenti. La première entreprise approuvée, NuScale, a annulé une centrale électrique dans l'Utah en novembre après une augmentation des coûts. «Les coûts des petits réacteurs modulaires n'ont cessé d'augmenter», explique Bunn. Le solaire, l’éolien et le gaz naturel sont vraiment très bon marché à l’heure actuelle. C'est le plus gros problème du nucléaire : c'est cher.

D’autres affirment également que les énergies renouvelables dépassent le nucléaire. « Les énergies renouvelables ont fourni environ 90 % de toute la nouvelle capacité électrique [in 2023], et cela est dû à la très grande différence de coût», explique Paul Dorfman, président du Nuclear Consulting Group à but non lucratif et chercheur invité à l'Université du Sussex, au Royaume-Uni. « Et dans le contexte du changement climatique, les centrales nucléaires prennent trop de temps. » Il cite les conclusions du gouvernement britannique selon lesquelles il faut jusqu'à 17 ans pour qu'un réacteur nucléaire soit prêt à fonctionner.

Un rapport de 2021 rédigé par Dorfman met également en garde contre le risque que représentent l’élévation du niveau de la mer et les ondes de tempête pour les centrales nucléaires des sites côtiers. « Le rapport le plus récent du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat [2023] a déclaré que les énergies renouvelables étaient dix fois meilleures que le nucléaire en matière de CO2 l'atténuation», ajoute Dorfman. « Il est clair que les énergies renouvelables feront le gros du travail et que le nucléaire est marginal, voire problématique. »

Au cours de la décennie précédant l’accident nucléaire de Fukushima au Japon en mars 2011, environ 3 GW de production d’énergie nucléaire étaient ajoutés en moyenne chaque année. Pour atteindre l'objectif de la COP28, en tenant compte du temps qu'il faudra pour construire les centrales, « nous devrons construire de l'ordre de 30 à 50 GW chaque année d'ici 2050 », explique Bunn. « Cela implique de convaincre que l'énergie nucléaire est dix fois plus attractive qu'elle ne l'était avant Fukushima. C'est une tâche lourde.

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