vignette|Coupe schématique du réacteur de la société NuScale Power. Un petit réacteur modulaire (PRM) ou (SMR) en anglais, est un réacteur nucléaire à fission de petite taille et de faible puissance , à la différence d'un réacteur nucléaire conventionnel développant lui une puissance comprise entre .
Un PRM est conçu pour être fabriqué en série en usine avant d'être transporté sur son site d'implantation et d'y être installé. Environ sont dotés d'une Propulsion nucléaire navale, militaires (sous-marins et porte-avions) outre quelques brise-glace civils soviétiques (devenus russes). Dans les années 2020, divers PRM sont envisagés ou testés comme une alternative à moindre coût, ou comme complément au nucléaire conventionnel pour la production d'électricité, de chaleur (pour l'industrie ou le chauffage urbain) ou pour le dessalement d'eau de mer, dans le cadre de la décarbonation de l'économie.
Des coûts de développement jugés plus faibles que pour les grands réacteurs encouragent l'apparition de jeunes pousses dans ce domaine, notamment aux États-Unis, parallèlement aux acteurs historiques de l'industrie nucléaire. Fin 2018, une cinquantaine de projets ou concepts de PRM sont à l'étude ou en développement, allant de versions réduites de réacteurs nucléaires existants (réacteurs à neutrons thermiques) à des réacteurs de (réacteurs à neutrons rapides). La variété des projets a augmenté Advances in Small Modular Reactor Technology Developments, IAEA Report, 2022., atteignant en 2024 plus de soixante-dix prototypes différents de PRM à l'étude ou en développement ; selon l'AIEA, l'Argentine (2019) et la Chine (2021) les testent, la Russie en élabore des projets ; l'Estonie, la Jordanie et la Pologne les évoquent dans leurs prospectives énergétiques. Les pays les plus actifs dans ce domaine semblent être la Russie et les États-Unis, mais leur déploiement reste conditionné à la résolution de défis règlementaires, économiques et sécuritaires..
Spécificités Les spécificités des cahiers des charges des projets PRM ont été dictées par l'observation des problèmes rencontrés par les projets de réacteurs en cours ; ce sont "Small Modular Reactors", Department of Energy – Office of Nuclear Energy.Véronique Lamblin, Essor des petits réacteurs nucléaires modulaires, Idées & faits porteurs d'avenir, dans Futuribles 2022/3 (N° 448), Cairn.info, 2022. : une taille/puissance plus modeste que celle des réacteurs existants : dans la plupart des cas, et au maximum Connaissance des énergies, Fiche pédagogique : Énergie nucléaire : « SMR » (petits réacteurs modulaires) , mis à jour le 29 avril 2019., contre , pour réduire le coût unitaire (principal obstacle rencontré par les projets nucléaires de nombreux pays) ; et pour adapter la solution nucléaire à des sites isolés, souffrant habituellement d'un manque de main-d'œuvre qualifiée et de coûts élevés de livraison ; un caractère modulaire standardisé, diminuant les coûts et les délais de livraison, par l'industrialisation des composants et du montage ; une adaptation progressive de la puissance de la centrale à l'évolution des besoins est alors possible par ajout de modules supplémentaires ; un confinement plus aisé, grâce à l'intégration des composants dans un volume réduit et hermétiquement clos, pour réduire les risques de prolifération et permettre une gestion réduite au strict minimum ; certains PRM sont conçus pour être immergés dans une piscine et/ou construits en souterrain pour accroître leur sécurité ; une fabrication et un assemblage possible dans une usine spéciale, avant envoi sur le site où ils peuvent être installés plus facilement qu'un réacteur classique ; une certaine souplesse, car un PRM n'est pas nécessairement connecté à un vaste réseau électrique, et il peut être combiné à d'autres PRM quand il faut produire plus d'électricité. Les centrales nucléaires de plus grande puissance sont en général prévues pour un fonctionnement en base et peu souples en termes de variation de puissance. Les PRM devront être mieux adaptés au suivi de chargeIrena Chatzis, Small Modular Reactors: A Challenge for Spent Fuel Management?, IAEA Department of Nuclear Energy, 8 août 2019 : .
Usages Des PRM alimentent déjà des navires (comme le porte-avions Charles de Gaulle) et sous-marins. Selon leurs promoteurs, ils pourraient un jour alimenter des installations de production, par exemple en production de chaleur, dessalinisation, épuration des eaux ou alimentation de mines en sites isolés ou difficiles à alimenter en sources d'énergie bas carbone fiables et assez bon marché...
La cogénération est possible et, lors de creux de consommation d'électricité notamment, les surplus d'énergie peuvent être utilisés pour la production de chaleur pour l'industrie, le chauffage urbain, le dessalement d'eau de mer ou la production d'hydrogène, afin de faciliter le suivi de charge Cogeneration: An option to facilitate load following in Small Modular Reactors, ScienceDirect (Elsevier), mai 2017..
Au Canada et en Russie, les PRM faciliteraient la présence humaine dans l'Arctique, notamment pour y affirmer leur souveraineté. Ailleurs, ils pourraient faciliter la lutte contre le stress hydrique en alimentant le dessalement d'eau de mer. KEPCO a modifié la conception de son PRM à cette fin, ce qui intéresserait notamment l'Arabie saoudite. La Chine envisage de les utiliser sur barge, comme installations pérennes pour son armée sur les récifs des îles Spratleys.
La NASA considère la propulsion nucléaire comme une technologie indispensable à toute mission dépassant l'orbite terrestre ; elle a lancé en 2003 le programme Prometheus, qui a abouti en 2018 aux tests d'un nouveau microréacteur. Le russe Roscosmos annonce que Zeus, son nouveau remorqueur spatial à propulsion nucléaire, conduira sa première mission en 2030. À plus long terme, les PRM pourraient alimenter un avant-poste lunaire servant de base à une exploration martienne. Le département américain de la Défense s'intéresse au développement de PRM pour rendre ses bases énergétiquement autonomes.
Limites et risques Les risques et scénarios d'événements critiques varient selon la technologie retenue, ses systèmes de soutien et le contexte géopolitique. En contexte de paix, pour l'ACP100 la première vulnérabilité serait une rupture de la ligne d'injection directe (66,3 % du CDF), pour le NuScale, ce serait une perte d'alimentation auxiliaire (33,6 %), et pour le BWRX‑300 il s'agirait de défaillances du système d'injection de bore (95,6 %), mais globalement, selon les études de préfiguration, les SMR présentent un risque d'endommagement du cœur nettement moindre que pour le réacteurs conventionnels..
L'ingénieur et consultant Antoine Bonduelle, expert auprès du GIEC, dans un rapport très critique paru en 2024, alors que plus de soixante-dix prototypes différents de PRM sont actuellement en développement, pointe le coût, les risques et l'incertitude technologique... Selon une analyse économique du marché (2021), cette filière correspond à un marché potentiel dans plus de entre 2030 et 2050, mais doit affronter des . ; une incertitude plane aussi sur le prix de l'uranium en raison de la spéculation financière, d'incertitudes géopolitiques et d'éventuels besoin spécifiques aux PRM ; une évaluation économique publiée en 2021 par le Massachusetts Institute of Technology suggère que le coût du combustible pour PRM pourrait être élevé ; de plus étant donné la diversité des projets de PRM, les économies d'échelle ne sont pas certaines Buongiorno, J. "An Economic Evaluation of Micro-Reactors for the State of Washington." MIT Center for Advanced Nuclear Energy Systems (2021)..
Principes de fonctionnement vignette|Illustration d'un petit réacteur modulaire à eau légère. Les concepts de PRM sont très variés, allant de versions simplifiées de réacteurs existants à des projets exploitant des technologies presque entièrement nouvelles "Innovative Nuclear Reactor Development: Opportunities for International Co-operation", Agence internationale de l'énergie, OCDE-NEA, AIEA, OCDE, 2002., mais tous utilisent la fission nucléaire. Lorsqu'un noyau atomique instable tel que l' (235U) absorbe un neutron supplémentaire, l'atome se divise (fissionne), libérant une grande quantité d'énergie sous forme de chaleur et de radiations. L'atome fissionné libère des neutrons, qui peuvent ensuite être absorbés par d'autres noyaux instables, produisant une réaction en chaîne. La chaîne de fissions doit être entretenue pour produire de l'énergie nucléaire. Les concepts de PRM comprennent des réacteurs à neutrons thermiques et réacteurs à neutrons rapides.
Un réacteur à neutrons thermiques nécessite un modérateur (eau légère, eau lourde, graphite…) pour ralentir les neutrons, et utilise en général l'235U comme matériau fissile. La plupart des réacteurs nucléaires en fonctionnement sont de ce type.
Un réacteur à neutrons rapides n'utilisent pas de modérateur et nécessite donc un combustible nucléaire capable d'absorber les neutrons. Cela implique de changer la disposition du combustible à l'intérieur du cœur, ou d'utiliser des types différents de combustible : le (239Pu) est plus apte à absorber un neutron rapide que 235U. Il peut éventuellement être modifié en surgénérateur émettant assez de neutrons pour transmuter des éléments non fissiles en éléments fissiles. Le principe le plus commun pour un surgénérateur est d'entourer son cœur d'une « couverture » de 238U, qui est l'isotope le plus courant de l'uranium. Lorsque celui-ci subit une capture de neutron, il se transforme en plutonium (239Pu), qui peut être retiré du réacteur lors des arrêts pour rechargement, et utilisé à nouveau comme combustible après « nettoyage » "Fast Neutron Reactors", World Nuclear Association..
Fluide caloporteur Au début du , la plupart des réacteurs utilisent l'eau légère comme fluide caloporteur, mais de nouveaux types de caloporteurs sont testés ou envisagés : des réacteurs refroidis par du métal liquide, tels que le réacteur rapide refroidi au sodium, ont été expérimentés aux États-Unis, en France (Phénix et Superphénix), en Russie et en Chine, dangereux en cas de feu de sodium (métal qui réagit explosivement avec l'eau, induisant des ondes de choc, une explosion de vapeur, une production de dihydrogène lui-même explosif et de gaz toxiquesG. Rodriguez et J. Desreumaux, Physico-chimie du sodium, rapport technique, CEA, 1997.Saleh Kevin, Contribution à la prédiction des effets des réactions sodium-eau – Application aux pertes de confinement dans un bâtiment Générateur de Vapeur d'un Réacteur à Neutrons Rapides refroidi au sodium (thèse de doctorat en génie des procédés industriels et développement durable), Université de Technologie de Compiègne, avec le CEA et l'INERIS, 2015 (lire en ligne ). ; le réacteur refroidi au gaz et le réacteur à sels fondus sont envisagés comme options pour un fonctionnement à très haute température Small Nuclear Power Reactors, World Nuclear Association, mai 2018...
Production thermique/électrique Un réacteur nucléaire classique utilise une boucle à fluide caloporteur pour produire de la vapeur, laquelle actionne une turbine qui produit de l'électricité. Certains projets de PRM seront refroidis au gaz, qui actionne une turbine à gaz, plutôt que d'utiliser un circuit secondaire d'eau.
L'énergie thermique ainsi produite peut aussi être utilisée, sans conversion en électricité, pour la production d'hydrogène, le dessalement d'eau de mer, ou la production de produits pétroliers (extraction de pétrole du sable bitumineux, fabrication de pétrole synthétique à partir de charbon) "Nuclear Process Heat for Industry", World Nuclear Association, octobre 2017..
Certains projets de réacteurs modulaires ont aussi pour vocation d'alimenter les réseaux de chauffage urbain.. Ils fonctionnent donc généralement à basse pression et basse température et exploitent la technique des réacteurs de recherche dit « piscine ».