CommonWealth Fusion Systems (CFS) est l’entreprise développant la fusion nucléaire la plus financée: 1.8 milliards d’euros. La technologie étudiée est celle du tokamak.

La fusion nucléaire agite les esprits depuis plusieurs décennies. Toutefois, des progrès considérables ont été faits ces dernières années et de plus en plus d’entreprises tentent de faire de la fusion la prochaine énergie bas carbone. Parmi ces entreprises, celle ayant reçu le plus de fonds est CommonWealth Fusion System (ou CFS).

La fusion nucléaire CommonWealth Fusion Systems

CommonWealth Fusion System développe la fusion nucléaire en tokamak: les noyaux de deutérium et de tritium sont accélérés dans une parcours circulaire (torroidal pour être plus précis: ils vrillent) jusqu’à ce que, en se percutant, ils fusionnent. Le principal enjeu est, pour l’instant, de réussir à produire plus d’énergie qu’on en consomme.

Toutefois, avant cela, il faut réussir à confiner le plasma. C’est pour cela que l’entreprise s’est concentrée sur le développement de nouveaux aimants supraconducteurs à haute température (high temperature superconductor, HTS) cette étape s’est finie en septembre 2021 avec la démonstration à l’échelle de la performance d’un aimant de 20 tesla. Le principal challenge était à la fois de pouvoir accélérer les particules et, en même temps, de confiner le plasma grâce à un champ magnétique, pour qu’il ne détruise pas l’installation.

L’étape suivante consiste à construire un démonstrateur, le SPARC, visant à réussir à produire plus d’énergie qu’il n’en consomme (c’est le point d’ignition). CFS allègue que sa performance serait similaire à ITER, mais avec un tokamak 10 fois plus petit.

Histoire et financement de CommonWealth Fusion Systems

CFS est un spin-off du Plasma Science and Fusion Center du MIT fondé en 2018 à Cambridge (Massachusetts, USA) avec un investissement initial de 50 millions de dollars. Il reprend les recherches sur le tokamak « Alcator-C-Mod« , conduites au MIT.

Très rapidement, les fonds affluent:

• Son tour de financement de série A ramène 115M$ en juin 2019, avec notamment ENI, Breakthrough Energy Ventures et Khosla Ventures.
• Un tour de série A2 ramène 84 M$ supplémentaires en mai 2020 auprès, notamment, de Temasek, Equinor et Devonshire Investors.
• En 2021, suite à l’annonce du succès d’une expérimentation sur son aimant supraconducteur, CFS lève 1.8 milliards de dollars, notamment pour financer la construction de 2 tokamaks: un expérimental, SPARC, et un commercial, ARC. Ce tour était mené par Tiger Global Management et inclut de nouveaux investisseurs (notamment Bill Gates; Coatue; DFJ Growth; Emerson Collective; Footprint Coalition; Google; JIMCO Technology Fund, part of JIMCO, the Jameel Family’s global investment arm; John Doerr; JS Capital; Marc Benioff’s TIME Ventures) et des investisseurs historiques (notamment Breakthrough Energy Ventures; The Engine; Eni; Equinor Ventures; Fine Structure Ventures; Future Ventures; Hostplus; Khosla Ventures; Lowercarbon; Moore Strategic Ventures; Safar Partners; Schooner Capital; Soros Fund Management LLC; Starlight Ventures; Temasek).

FAQ

Jimmy Energy est une startup française développant des microréacteurs modulaires d’une puissance de 10 à 20MWth utilisant une technologie graphite-gaz de 4e génération, à hautes température, dont la particularité n’est de pas produire d’électricité. En effet, ces réacteurs se destinent uniquement à la production de chaleur (industrielle). Elle a été fondée en 2020 par Antoine Guyot et Mathilde Grivet et plusieurs acteurs industriels et elle est conseillée par des acteurs de très haut niveau (ex: Franck Carré, directeur scientifique au CEA, Dominique Vignon, ancien PDG de Framatome …).

La technologie des réacteurs Jimmy

Les réacteurs Jimmy sont des réacteurs haute température (HTR) de 4e génération. Ils utilisent le graphite comme modérateur et l’hélium comme gaz caloporteur. Ce dernier transmet la chaleur dans un échangeur au circuit secondaire, contenant du CO2, qui la transmet au site industriel. La températeur du coeur s’élèverait à 600°C et pouvant monter à 750°C. La technologie HTR a déjà été l’objet de nombreux prototypes et un petit réacteur modulaire l’exploitant est même fonctionnel en Chine (Shidao Bay).

On peut souligner que le démantèlement des réacteurs au graphite pose problème actuellement: on ne sait pas faire … pour les gros réacteurs. En effet, les nombreux projets sur le sujet (Graphitech, Inno4graph, Cleandem) répondent aux problème du démantèlement des « gros » réacteurs au graphite, qui sont tellement énormes que de nouveaux outils sont nécessaires. Les micro-réacteurs comme ceux de Jimmy ne posent pas (à ma connaissance, des petits réacteurs au graphite ayant déjà été démantelés) de problème particulier.

Avancement et financement de la startup Jimmy

• Sur le combustible TRISO : https://doseequivalentbanana.home.blog/2020/08/10/triso-et-reacteurs-a-haute-temperature/

Last Energy est une startup américaine née en 2020 développant des micro-réacteurs de 20MWe à eau pressurisé utilisant la technologie « classique » et fonctionnant à l’uranium enrichi. Leur facteur différenciant est leur format, leur mode de commercialisation (vente d’énergie) et leur rapidité. En effet, ils pourraient développer de nouvelles installation en 24 mois et seraient prets à se déployer dès 2025.

Des microréacteurs à eau pressurisée classiques

Les petits réacteurs modulaires de Last Energy auraient une puissance de 60MWth / 20MWe et seraient, comme nos réacteurs nucléaires français, des réacteurs à air pressurisés (PWR, Pressurized Water Reactors en anglais), ils utiliserent de l’oxyde d’uranium enrichi (< 4.95%) dans des paquets de 17×17 barres de combustible (comme nos réacteurs). Le fait d’utiliser une technologie « classique » est d’ailleurs revendiqué par leur fondateur:

« Nous sommes arrivés à la conclusion qu’utiliser la technologie déjà disponible était la meilleure manière de passer à l’échelle. […] Nous n’innovons pas quant au procesus nucléaire ou aux composants – nous innovons sur l’intégration des systèmes et le business model. »

Bret Kugelmass, cité par Canary media

L’installation se divise entre un « îlot nucléaire », contenant notamment le coeur du réacteur, puis une partie en surface qui gère l’afflux de vapeur. Le ravitaillement serait complet, l’entreprise envisageant même de remplacer tout le coeur (un peu comme les batteries préchargées de scooters) tous les 6 ans, ce qui immobiliserait alors la production 3 mois. Le refroidissement se ferait surtout par l’air. prise au sol serait de 0.5 acre, soit moins qu’un terrain de football.

L’innovation Last Energy: l’exécution

Pour comprendre l’innovation proposée par Last Energy, il faut s’intéresser à la génèse du projet. Bret Kugelmass a, auparavant, fondé Titans of Nuclear, un podcast dans lequel il a pu faire s’exprimer des acteurs du nucléaires. Il en a tiré la conclusion que l’industrie nucléaire s’était sclérosée et stagnait (« ossified et stagnated »).

A l’inverse, les nouveaux arrivants, comme Terrapower ou Newcleo, se focalisent pour la plupart sur de nouvelles technologies, qui posent de nouveaux challenges et rendent les projets plus difficiles à exécuter. Sur ce créneau, il est en concurrence avec Nuscale, le réacteur de GE Hitachi (BWRX-300) et Holtec. Toutefois, leur modèle est plus petit, 20MWe contre plusieurs centaines.

Leur rôle serait celui de maitre d’oeuvre. Le business model aussi serait original: l’entreprise ne vend pas les centrales, mais l’énergie qu’elles produisent. Cela permet de ne pas faire supporter les frais importants au cocontractant. Un réacteur pourrait être produit et délivré en 2 ans, à un prix en capital de 3000$/kWe, en incluant dans les dépenses le prix du démantèlement.

Histoire et avancement de Last Energy

Last Energy est une startup américaine créée par Bret Kugelmass en 2020, dans la suite de l’Energy Impact Center, puis du podcast Titans of Nuclear. Elle aurait déjà signé un contrat pour construire 10 réacteurs modulaires dans la zone industrielle « Legnica Special Economic Zone ». Ils envisagent d’avoir fini la construction dès 2025.

L’entreprise a levé 24 millions de dollars au total (fev 2023), dont 21 viennent de Gigafund. Les autres investisseurs seraient First Round Capital et David Marquardt, ancien président de Microsoft. La structure rassemblerait 40 employés.

Le 20 mars 2023, elle aurait signé 4 accords d’une valeur de $18.9 milliards pour construire 34 petits réacteurs modulaires de 20MW en Europe. La somme correspond au montant que l’entreprise toucherait sur la durée du contrat.

Newcleo est une startup créée en 2021 qui développe des petits réacteurs modulaires à neutrons rapides de 30 et 200MWe. Elle a déjà levé 400 millions d’euros en 2022.

Technologie de Newcleo: PRM à neutrons rapides caloporteur plomb

Newcleo développe des petits réacteurs modulaires à neutrons rapides, de 4e génération. Ces réacteurs pourraient utiliser comme combustible l’ensemble du potentiel énergétique de l’uranium naturel et transmuter des déchets radioactifs à très longue durée de vie.

L’entreprise a préféré le plomb comme caloporteur en raison de son faible et cout et, contrairement au sodium, le fait qu’il n’interagisse pas avec l’eau ou l’air. En outre, c’est le choix qui aurait été fait pour Superphénix, dont la startup s’inspire beaucoup.

L’entreprise prévoit deux tailles de réacteurs: un de 30MWe, ciblant les communautés reculées et les grands navires; un de 200MWe, pour de la génération d’électricité plus conventionnelle.

« Le sodium était doté de belles caractéristiques, mais ajoutait le risque chimique au risque nucléaire et entraînait complications et surcoûts. C’est pour cela que nous nous tournons vers la technologie du plomb, développée par des chercheurs italiens ayant participé à Superphénix. »

Stefano Buono, interrogé par Le Figaro

Ils prévoient, à plus long terme, un réacteur sous-critique piloté par un accélérateur de particules, comme Transmutex.

Avancement et financement de Newcleo

Newcleo a été créée en septembre 2021 par Stefano Buono. Ce dernier a comme atouts d’avoir, en 2018, déjà vendu une startup de médecine nucléaire, qu’il avait fondée en 2002, pour plus de 3 milliards de dollars et, il est lui-même ingénieur nucléaire. Il avait également travaillé au CERN avec Carlo Rubbia sur la transmutation des déchets nucléaires et les systèmes alimentés par un accélérateur de particule (Accelerator Driven Systems, ADS), ce que fait Transmutex (dont le CSO a également travaillé avec Carlo Rubbia). Le CSO, Luciano Cinotti, serait un expert des réacteurs à neutrons rapides. Plusieurs des membres de l’équipe ont travaillé longtemps au CERN.

L’entreprise prévoit de développer un prototype pour 2026, de commercialiser son réacteur de 30MWe en 2030 et celui de 200MWe en 2032. Elle prévoit également d’installer des usines de production de MOx, qui serviront à alimenter leurs appareils.

Elle est accompagnée par des chercheurs ayant travaillé sur le projet Superphénix, comme Luciano Cinotti.

En 2022, Newcleo aurait levé 400 millions de dollars.

Naarea développe un micro-réacteur modulaire de quatrième génération à sels fondus, fonctionnant à partir du combustible usé (plutonium et uranium) ou de thorium.

La technologie de Naarea

Naarea développe des petits réacteurs nucléaires modulaires à neutrons rapides (nommés XAMR, eXtrasmall Advanced Modular Reactor) d’une puissance entre 10 et 40MW. Le caloporteur serait des sels fondus à 700°C. Le combustible serait constitué de matières radioactives usagées. Il était initialement prévu de pouvoir aussi utiliser aussi du thorium, mais cette piste a été écartée en décembre 2021.

La turbine serait actionnée par du dioxyde de carbone supercritique, en raison de sa « compacité et sa capacité à offrir un rendement thermique>électrique de 50% grâce aux hautes températures des réacteurs à sels fondus. »

Comme pour les autres réacteurs à sels fondus que nous avons vu sur ce site, la réaction de fission est « intrinsèquement auto-régulée », ce qui élimine largement ou complètement le risque d’accident. Ils s’appuieraient également sur d’autres propriétés : « non-recours à l’eau et cœur à basse pression notamment. »

L’utilisation de neutrons rapides permettrait de limiter le problème des déchets radioactif: les déchets à vie longue, plutôt lourd, seraient transmutés. Ils envisagent des applications pour l’extraction des ressources minérales, la production d’hydrogène, le dessalement d’eau de mer, l’approvisionnement de collectivités isolées, la production de chaleur industrielle et l’appuis aux énergies intermittentes.

Avancement et financements de Naarea

Naarea a été fondée par Jean-Luc Alexandre (CEO) et Ivan Gavriloff (Président du conseil de surveillance) officiellement le 27 mars 2020 et annoncée le 29 novembre 2021 (si j’ai bien compris).

L’entreprise serait financée notamment par Paris Mouratoglou, fondateur d’EDF Energies nouvelles et Eren Groupe. Plusieurs family offices auraient également investi quelques dizaines de millions d’euros.

Ils prévoient de sortir un jumeau numérique en 2023 avec l’aide d’Assystem. Les premiers réacteurs sont annoncés (avec précautions oratoires) dès 2027. Le modèle économique sera la fourniture d’énergie: NAAREA resterait propriétaire des générateurs et vendra l’énergie produite, ce qui permet à la startup de garantir le bon fonctionnement et la maintenance de l’appareil.

Jean-Luc Alexandre a notamment accompagné Emmanuel Macron à la Maison Blanche, avec quelques dizaines de figures de l’industrie et de l’innovation française, en décembre 2022.

Transmutex est une startup franco-suisse, proche du CERN, développant un réacteur « TMX-START » très particulier: étant sous-critique, les neutrons seraient apportés par un accélérateur de particules, qui transmuterait le combustible fertile (thorium) en combustible fissile (uranium 233). Ces neutrons rapides permettraient également la transmutation des atomes plus problématiques (ex: americium), ce qui limiterait radicalement les déchets radioactifs produits.

La technologie Transmutex: une sécurité absolue ?

Le réacteur Transmutex, appelé « TMX-START » (Transmutex Subcritical Transmutation Accelerated Reactor with Thorium) est « sous-critique »: il n’y a pas de réaction en chaîne auto-entretenue. Si l’apport externe de neutrons cesse, la réaction s’arrête presque immédiatement: en 2ms selon Transmutex. On peut se demander comment un accident pourrait se produire dans ce contexte.

Oui mais alors, d’où viennent les électrons ? C’est la partie ésotérique du projet: ils viennent d’un accélérateur de particules (un cyclotron de 800MeV – 5mA, de 40x60m, inspiré du projet MEGAPIE) ! Les protons approchant la vitesse de la lumière vont, en heurtant les cibles de métal placées à l’intérieur, produire des neutrons par « spallation ». Contrairement à ce qu’on peut croire, ce type d’équipement ne sont pas rares: il y aurait 30 000 accélérateurs de particules dans le monde, principalement à des fins médicales. En l’espèce, ce procédé est appelé « Accelerator Driven System » (ADS).

Le combustible serait du thorium (fertile) qui se transformerait en uranium 233 (fissile) avant de fissionner. Les neutrons seraient « rapides » (et non lents ou thermiques), ce qui permet la transmutation et limiterait radicalement les déchets produits (de l’ordre de quelques kilos au lieu de tonnes) et d’une durée de vie plusieurs milliers de fois moindre. (source) Ils pourraient même transmuter et utiliser des atomes plus lourds, comme le plutonium, neptunium ou americium. Le caloporteur est un alliage de plomb-bismuth fondu. Le prix de l’énergie (LCOE) est estimé à moins de 70$/MWh. (source)

Le réacteur n’est pas à proprement parler de 4e génération, ne faisant pas partie de la liste, mais il semble qu’il pourrait y trouver sa place.

La puissance visée du réacteur est actuellement de 100 MW.

Avancement et financement de Transmutex

Ils auraient développé des outils digitaux avancé pour modéliser et simuler leur système.

Une première levée de fonds (15 millions de francs suisse d’après la vidéo) a été bouclée en novembre 2021 avec le fonds de capital-risque UVC.

L’installation pilote de 300MW est estimée à 2 milliards de francs suisses (~€). Ils espèrent la concevoir avant 2030.

FAQ

Terrapower est une entreprise américaine développant des réacteurs à neutrons rapides à sels fondus. Fondée en 2006 par Bill Gates, elle développe plusieurs technologies et conçoit un prototype de réacteur commercialisable pour 2028.

Technologies de réacteurs

Terrapower développe trois axes technologiques:

• Des réacteurs à ondes progressives, focalisés sur l’efficience d’utilisation du combustible et de ses déchets et la possibilité de valoriser l’uranium 238.
• Des réacteurs à sels fondus MCFR, d’un dimensionnement prévu de 1200MWe, en partenariat avec un énergéticien, Southern Company.
• Des « réacteurs natrium », de plus petite taille (375MWe), en partenariat avec General Electric Hitachi Nuclear Energy

Globalement toutes ces technologies reposent sur l’utilisation de sels fondus et des systèmes de sécurité passifs, les rendant très sécures.

Réacteurs à ondes progressives

Le réacteur à ondes progressives (Traveling Wave Reactor, TWR) est un réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium conçu pour pouvoir utiliser de l’uranium 238 comme combustible. Au centre du coeur se trouve de l’uranium enrichi, qui va initier la réaction. Autour, de l’uranium appauvri ou naturel va servir de combustible par surgénération. La réaction en chaine formera une sorte de vague concentrique, convertissant l’U238 en plutonium, d’où le non de « réacteur à ondes progressives ». Le réacteur sera capable de déplacer automatiquement les barres de combustible pour pérenniser la réaction.

Le réacteur serait aussi très sécure, reposant sur des systèmes passifs pour se refroidir, n’impliquant pas l’intervention d’opérateurs. De plus, le combustible usagé pourrait être entreposé à l’intérieur du coeur. Il peut fonctionner pendant très longtemps sans avoir besoin d’être réapprovisionné.

Réacteur à sels fondus MCFR

Terrapower étudie avec un énergéticien (Southern Company) la faisabilité d’un prototype de réacteur à neutrons rapides au chloride fondu (molten chloride fast reactor, MCFR).

Réacteurs rapide refroidi au sodium natrium

Terrapower développe avec General Electric Hitachi Nuclear Energy une technologie de réacteurs au natrium de 345MWe associé à un stockage au sels fondus pouvant stocker autour d’1GWh, permettant à l’installation de produire 500MWe pendant 5h30 si nécessaire. Elle fonctionne à pression ambiante et le réacteur opère à 350°C. Diverses logiques de refroidissement passif, utilisant la gravité et la convection naturelle, garantissent sa sécurité. Point noir, la technologie utilise un combustible très enrichi (5-20% d’uranium 235), « high-assay, low-enriched uranium », HALEU.

Le sodium a plusieurs intérêts: son point d’ébulition est extrêmement haut, ce qui permet au réacteur de fonctionner à pression normale; il transmet extrêmement bien la chaleur (3* mieux que l’acier inoxydable), ce qui permet d’avoir une installation dense ; il ne corroderait pas son environnement. Le réacteur utilise tout de même de l’eau, notamment pour refroidir la vapeur créée lors de la génération d’électricité (comme pour les centrales actuelles je suppose).

L’entreprise prévoit que le cout de production serait entre 2800 et 3000$/KW et un prix de l’électricité (LCOE) autour de 50-60$/MWh. Une centrale devrait coûter autour d’un milliard de dollars.

Financement et actualités

L’une des particularités de l’entreprise est l’implication de Bill Gates, comme fondateur, investisseur et comme président du conseil d’administration.

Arcelor Mittal, développant des procédés pour réduire l’empreinte carbone de la production d’acier, a investi 25 millions d’euros en novembre 2022 par l’intermédiaire de son fonds d’innovation XCarb.

Avancements de la technologie MCFR

Avancements du « réacteur natrium » au sodium

C’est le réacteur natrium qui semble le principal focus de l’entreprise.

FAQ

Moltex est une entreprise britannique développant des petits réacteurs nucléaires modulaires à sels fondus.

La technologie Moltex: des petits réacteurs nucléaires à sels fondus

Moltex produit des réacteurs à neutrons rapides utilisant comme caloporteur des sels fondus un peu particuliers: des « réacteurs à sels stables » (RSS). Les assemblages sont de longs crayons de 10mm de diamètre sur 1,6 mètres avec une petite cloche au bout, pour laisser s’échapper les gaz produits lors de la fission. Le combustible est mélangé à des sels fondus dans le crayon: 2/3 de chlorure de sodium et un tiers d’un mélange contenant notamment du plutonium. (Wikipedia)

Ces réacteurs seraient particulièrement sûrs, ne pouvant notamment pas générer de césium et d’iode, les gaz radioactifs dangereux qui ont posé problème lors des accidents de Fukushima et, surtout, de Tchernobyl. De plus, le réacteur s’auto-régule complètement. Aucun système actif ou opérateur ne serait nécessaire.

Les sels fondus produisent une chaleur de 750°C. Le coût initial du RSS serait de 1500€/kW, contre 2930€ pour une centrale à charbon et 6750€ pour les réacteurs EPR de Hinkley Point. Cela amènerait un prix moyen de l’électricité (LCOE) à 35€/MWh.

Les utilisations : Moltex Flex ou Clean Power

La technologie Moltex a deux axes:

• proposer un moyen de production d’électricité bas carbone flexible se combinant bien aux énergies renouvelables, c’est Moltex flex.
• Recycler le combustible nucléaire usagé, c’est Moltex Clean Power.

Moltex Flex

Moltex Flex développe le réacteur « FLEX » (rq: il n’est pas à neutrons rapides ? C’est é). Leur dimension serait particulièrement petite, 40MWth et les installations, n’ayant pas besoin de systèmes complexes de sécurité, le caloporteur régulant bien sa propre température, seraient très compactes : de l’ordre d’une maison de deux étages ! Ils disent même qu’il pourrait tenir dans un camion de 12 mètres. Le réacteur est alimenté en une fois pour 20 ans, il y a donc très peu de maintenance et de coûts d’exploitation.

Le réacteur est combiné avec une solution de stockage d’énergie thermique (probablement des sels fondus, comme Airthium ?) appelée GridReserve, permettant de tripler la capacité de production si besoin. Globalement, ils seraient très flexibles et permettraient d’augmenter ou diminuer rapidement la charge, ce qui en ferait une énergie d’appoint idéale pour les pics de consommations et les énergies renouvelables.

Ces petits réacteurs pouraient même être utilisés pour alimenter des cargos. Leur flexibilité et la génération de températures élevées des sels fondus (750°C) les rendraient idéaux pour la cogénération, pour alimenter des réseaux de chaleur urbains ou se combiner à des processus industriels. On pense notamment à la synergie avec l‘électrolyse haute température (EHT).

Moltex Clean Power

Moltex clean energy développe également des réacteurs destinés à la gestion des déchets radioactifs:

• Un procédé de retraitement du combustible usagé sous forme de sels stables (WAste To Stable Salt, WATSS).
• Un réacteur à neutrons rapides recyclant du combustible usagé (Stable Salt Reactor-Wasteburner, SSR-W). Le principe semble assez simple: le combustible usé contient 96% de matière réutilisable (essentiellement de l’uranium de retraitement, URT).

Actualités et financements

Moltex a notamment reçu 50.5 millions de dollars du gouvernement du Canada en mars 2021 pour développer (si j’ai bien compris) un premier réacteur au Nouveau-Brunswick: un Wasteburner de 300MWe et une usine de retraitement WATSS (WAste To Stable Salt) sur le site de la centrale nucléaire de Point Lepreau à Saint John (Nouveau-Brunswick).