1. Principe de la propulsion nucléaire        

Le principe général de la propulsion nucléaire des navires (cf fig1) est le suivant :

·   un réacteur nucléaire (généralement - mais non systématiquement - du type à eau sous-pression) alimente en vapeur une turbine 

·  l’énergie mécanique de la turbine est utilisée pour faire tourner l’arbre d’hélice du navire :

·  soit de façon directe par l’intermédiaire d’un réducteur ; on parle de propulsion turbo-mécanique,

.  soit en passant par l’intermédiaire de l’électricité ; on parle alors de propulsion turbo-électrique,

.  en complément, la vapeur produite par le réacteur fournit l’électricité et l’eau douce du bord.

Fig. 1 : Principe d’une propulsion turbo-électrique

Le combustible nucléaire (1) contenu dans la cuve du réacteur (2) chauffe l’eau primaire (3). Cette eau passe par circulation naturelle dans le générateur de vapeur (4) et permet une vaporisation de l’eau secondaire (5) pour alimenter les turbines (6). L’eau secon­daire est refroidie dans le condenseur (7) avant d’être renvoyée dans le générateur de vapeur. Chaque turbine entraîne deux alter­nateurs (8) et (9). Les alternateurs de propul­sion (9) produisent l’électricité nécessaire au moteur électrique principal (10) qui entraîne directement l’hélice (11) - Les alternateurs de force (8) fournissent l’électricité nécessaire aux installations du bord. La chaufferie nucléaire est confinée dans un compartiment indépendant strictement sur­veillé et protégé.

2. Particularités du réacteur nucléaire de propulsion navale        

Le concept de base du réacteur à eau sous-pression classiquement utilisé en propulsion navale diffère très peu des réacteurs de la même filière utilisés pour les applications électrogènes. Ceci est d’autant plus vrai que les premiers réacteurs à eau sous-pression électrogènes sont des réacteurs de propulsion navale « posés à terre » et augmentés en puissance. Par contre, la finalité de l’application et l’environnement dans lequel se trouve placé le réacteur de propulsion navale affecte profondément la conception détaillée et la technologie.

2.1.  L’intégration, l’adaptation et l’imbrication avec le navire

Le réacteur électrogène de propul­sion navale n’est qu’un composant, relativement autonome, d’un ensemble plus vaste, le navire, dont la finalité ne dépend nullement du mode de propulsion choisi. Les installations auxiliaires du réacteur (réfrigération, ventilation, systèmes de sécurité, systèmes de conduite, servitudes diverses etc.) se trouvent intimement mêlées au reste des installations du navire, spécialement dans le cas des sous-marins ou l’économie de moyens et l’exiguïté obligent à confondre de nom­breuses installations auxiliaires du navire et du réacteur. La conception générale du système est d’autant mieux réussie que l’on sera parvenu à intégrer et confondre les installations auxiliaires ou de servitude nécessaires au réacteur avec les autres installa­tions du navire. Exemples assez typiques :

·       les structures du sous-marin coque et cloisons résis­tantes à la pression de la mer sont confondues avec les cloisons  nécessaires au confinement du réac­teur,

·       le hangar d’aviation du porte-avions sert également de hall de déchargement/rechargement du combustible,

·       les équipements du navire susceptibles de constituer des écrans de protection contre les rayonnements vont être mis à profit pour réaliser les protections biologiques (réserves d’eau ou de carburant, blindages, grosses capacités, etc.),

·       les réserves d’eau douce du navire dévolues à d’autres usages sont utilisées pour le renoyage du cœur en cas d’accident,

·       sur le porte-avions, les moyens de lutte incendie du navire sont utilisés pour la réfrigération à long terme de l’enceinte réacteur en cas d’accident,

L’architecture du réacteur, son fonctionnement, son mode d’exploitation sont gouvernés par l’intégra­tion et l’adaptation au navire. Les aspects les plus évidents concernent bien sûr l’encombrement et la masse du sys­tème, surtout dans le cas des sous-marins, mais ils ne sont pas les seuls. Plus généralement, “l’environnement navire” représente une contrainte importante à prendre en compte pour le réacteur qui conduit souvent à des disposi­tions originales :

·       inclinaisons de plate-forme, roulis, tangage,

·       accélérations chocs (cas des navires brise-glaces par exemple),

·       ambiance marine corrosive,

·       agressions de nature variées (explosion d’armes et arti­fices).

2.2.  La manœuvrabilité

Le navire doit pouvoir évoluer de façon suffisamment rapide pour éviter des obstacles ou échapper à une menace. Les ordres de grandeur sont typiquement les suivants : de 10% à 100% de puissance en 30 secondes à 1 minute.

Dans le cas des navires brise-glace le « raming » - manœuvre constituant à “monter” sur la glace pour l’écraser de son poids - grâce à une étrave très inclinée et renforcée -puis à faire marche arrière et recommencer - est particu­lièrement éprouvant pour le matériel en général dont notamment le réacteur.

Dans le cas du porte-avions Charles de GAULLE, les manœuvres de catapultage conduisent, elles aussi, à solliciter sévèrement les installations. Le réacteur doit répondre de façon fiable et sûre à tous ces transitoires d’appel de charge.

2.3.  La disponibilité

Pour un sous-marin, la perte de la propulsion peut consti­tuer un événement très grave. Si cet événement est concomitant avec une autre difficulté sérieuse, la consé­quence peut en être la perte du navire. Dans le cas du porte-avions, la récupération des avions nécessite la mise en service de la propulsion.

D’une façon générale, on s’attache à faire en sorte qu’une avarie inopinée, unique, affectant le réacteur et la conver­sion d’énergie ne conduise pas à la perte complète de la propulsion. Exemples typiques:

·       les avaries inopinées du pompage primaire qui ne doivent pas conduire à l’arrêt complet du réacteur mais, simple­ment, à une réduction d’allure prioritaire rapide,

·       la redivergence, suite à un arrêt d’urgence survenant inopinément à la mer qui doit être possible à tout moment suivant l’arrêt de réacteur donc, notamment, au moment du “pic xénon” d’empoisonnement du réacteur.

2.4. Les aspects sûreté

Les aspects sûreté présentent des différences assez importantes avec le réacteur électrogène :

·       le terme source du réacteur de propulsion navale est sensiblement plus faible ; en activité des produits de fission le rapport va de 60 à 120, compte tenu de la puissance des installations et de leur taux d'utilisation,

·       lorsqu’il est au voisinage des populations, le réacteur de propulsion navale est à l’arrêt ou éventuellement en marche à faible puissance.

A la mer, les conséquences d’un accident n’affecteraient directement que les personnes embarquées et l’environnement marin. La vitesse au retour, ou de manoeuvre au port, est modérée ce qui réduit la puissance résiduelle post-arrêt. Ce contexte assez différent conduit à proposer des solutions différentes pour la gestion des accidents :

·       à la mer, la sûreté des installations est assurée avec les seuls moyens du bord durant un laps de temps suffisant pour que l’on puisse attendre un secours (15 jours typiquement) ; dans le cas du porte-avions, la présence d’une piste d’atterrissage permet la réception d’un matériel non prévu en rechange ou d’un personnel spécialisé en secours,

·       navire à quai, on peut prévoir un secours complémentaire aux installations embarquées.

Du fait de la contrainte de disponibilité, celle de la sûreté s’exprime de façon assez différente de celui du cas des autres types de réacteurs. Ce qui compte, c’est la sûreté de l’ensemble réacteur+navire et non pas celle du seul réac­teur nucléaire. Le meilleur compromis entre disponibilité et sûreté est à trouver. Exemples :

·       la nécessité de définir une situation “de repli” pour le réacteur autorisant le fonctionnement à puissance éventuellement réduite en cas d’indisponibilité for­tuite constatée d’un équipement de sécurité en l’at­tente de sa remise en état ou du retour au port si la réparation n’est pas possible à la mer,

·       la latitude laissée - ou non - à l’équipage d’inhiber certaines actions de sécurité lors de situations opéra­tionnelles ou de fortunes de mer exceptionnelles,

·       la définition de solution de remplacement permettant au navire de poursuivre sa mission à allure éventuel­lement réduite en cas d’anomalie affectant un dispo­sitif de manœuvre des absorbants de contrôle de la réactivité du cœur.

2.5 L’exploitation : la conduite et la maintenance

2.5.1 La conduite

La conduite est  réalisée par un faible nombre de personnes qu’il n’est pas possible de remplacer ou de renforcer à court terme si néces­saire. Typiquement, un seul opérateur est dévolu à la conduite du réacteur. Étant donné les problèmes de for­mation auxquels est confrontée la Marine, il est indispen­sable que la conduite soit simple et relativement intuitive. Les locaux de conduite sont beaucoup plus réduits et plus généralement les conditions de conduite sont très différentes de celles du réacteur à terre.

2.5.2 La maintenance et l’entretien

La maintenance du réacteur de propulsion navale est gouvernée par celle du navire qui impose son cycle d’entretien et son environnement. Exemple type : Le renouvellement du combustible doit se faire au  port d’entretien et les moyens nécessaires doivent tenir compte des installations existantes, souvent de conception assez ancienne. Il faut en tenir compte et s’adapter. Le rechargement du combustible représentant pour le navire une indisponibilité assez longue, il est indispen­sable que cette opération soit très peu fréquente et la plus rapide et commode possible ; d’où les efforts pour aug­menter le plus possible la durée de vie des cœurs.

La résolution des problèmes de maintenance des petits équipements présents dans le compartiment réacteur est rendue plus ardue du fait de son exiguïté. Une analyse très complète des problèmes d’accessibilité et de démontabilité est à réaliser avant de figer l’aménagement retenu pour les installations du réacteur.

Avec le recul que donnent maintenant les 40 années d’existence de la propulsion nucléaire, on peut affirmer que bien avant d’autres préoccupations en termes de perfor­mances ou autres, ce sont en fait les problèmes d’exploi­tation (facilité de conduite, facilité d’entretien, disponibilité moyenne calendaire) qui déterminent le succès ou l’échec d’une conception.

3. Le parc de navires à propulsion nucléaire        

3.1 Le développement “dopé” par la guerre froide

Dès  la divergence de la première pile, par Enrico Fermi ,à Chicago aux États-Unis en 1942, la propulsion des sous-marins est immédiatement citée comme une application prometteuse (l’année 1942 est marquée par un nombre considérable de torpillages de navires américains). Durant la guerre mondiale, la priorité est donnée au développement de l’arme nucléaire (Projet MANHATTAN), mais la guerre froide va donner une impul­sion décisive et extraordinaire au développement de l’ap­plication :

·       le 20 mars 1953 : Divergence du premier réacteur proto­type de propulsion nucléaire à Idaho,

·       le 17 janvier 1955 : Première plongée en route libre à pro­pulsion nucléaire du NAUTILUS,

·       1959 : en France : lancement du projet “COELACANTHE”,

·       1960 : 4 navires américains à la mer; 1 navire russe,

·       août 1964 : en France : Divergence du prototype à terre (PAT) de Cadarache,

·       1970 : 90 navires américains à la mer; 55 navires russes,

·       1971 : en France ; Le REDOUTABLE à la mer,

·       1975 : Le nombre de navires à propulsion nucléaire de l‘URSS dépasse celui des États-Unis,

·       1980 : 125 navires américains à la mer; 150 navires russes.

Fig. 2 - Évolution des flottes nucléaires militaires -Nombre de navires à propulsion nucléaire par pays.

L’inflexion de ces courbes, depuis 1990, illustre le volume du “sur­armement” en la matière auquel a correspondu cette période historique.

3.2 La situation actuelle des marines nucléaires

3.2.1 Les sous-marins

Concernant les sous-marins, on distingue de façon conventionnelle :

·       les SNLE : (Sous-marins Nucléaires Lances Engins), SSBN suivant la terminologie anglo-saxonne : il s’agit de ”bases de lancement de missiles stratégiques balistiques” sous-marines discrètes et mobiles, indétectables en pra­tique. Ces sous-marins sont généralement de fort ou très fort tonnage - 8.000 à 16.000 tonnes typiquement- du fait principalement de l’encombrement des missiles,

·       les SNA (Sous-marins Nucléaires d’Attaque) : SSN sui­vant la terminologie anglo-saxonne : il s’agit alors de sous-marins dont la vocation rejoint celle des sous-marins clas­siques et se trouve donc beaucoup plus diversifiée que celle des SNLE. Ces sous-marins sont généralement de moyen tonnage, supérieur à celui des sous-marins classiques océaniques — 2500 à 6000 tonnes —, avec une tendance récente à l’accroissement liée à l’emport d’armes de plus en plus performantes et à la recherche de la discrétion acous­tique. A noter que, la miniaturisation aidant, les SNA sont capables d’emport d’armes nucléaires tactiques ou préstra­tégiques (torpilles nucléaires ou missiles de croisière).

3.2.2 Les navires de guerre de surface

Concernant les navires de guerre de surface, la propulsion nucléaire est réservée aux très grands bâtiments, on dis­tingue :

·       les porte-avions ou porte-aéronefs à propulsion nucléaire (PAN) pour lesquels le mode de propulsion nucléaire présente un certain nombre d’avantages qui seront développés par la suite,

·       les autres grands bâtiments de combat ou de soutien (croiseurs nucléaires, navires ravitailleurs) construits par les Américains et les Russes en un nombre restreint d’unités.

3.2.3 Les navires à propulsion nucléaire à vocation non exclusivement militaire

Les seuls navires à propulsion nucléaire, à vocation autre que militaire, réellement exploités durant une période signi­ficative sont les navires brise-glace. Seuls les Russes ont mis sur pieds et exploitent une flotte de navires de ce type.

La propulsion nucléaire navale est donc depuis l’origine une application sous-marine et militaire de l’énergie nucléaire. Il est vraisemblable que cette situation va perdurer. En effet, les conditions réglementaires, économiques, politiques et d’opinion publique ne sont pas réunies pour voir cette situation évoluer à moyen terme.

3.3 Les perspectives à moyen terme

On donne, ci-après une vision prospective de l’état des marines nucléaires en 2025 en distinguant les actuels membres du club et les adhérents potentiels  (Cf. Tableau II). La décrue de l’antagonisme Est/Ouest conduit à une réduction du format des marines mili­taires des nations de l’hémisphère nord (comme le mon­trent les courbes de la figure 2). Toutefois, les missions de base qui sont dévolues aux marines des grandes nations maritimes (les membres du club) ne changent pas réelle­ment de nature. Les capacités de projection rapide et d’in­terventions lointaines se trouvent globalement maintenues. Les grandes nations maritimes conserveront :

·       une capacité nucléaire stratégique à un niveau réduit et théoriquement figé par le traité sur l’interdiction des essais (soit donc en pratique une flotte de SNLE),

·       une marine de haute mer capable de garantir les voies de communication vitales,

·       une capacité de frappe contre terre depuis la haute mer (soit donc en pratique une aéronavale).

Ceci suppose, entre autres, une capacité de surveillance et de contrôle d’une vaste zone au pourtour de la force aéronavale et donc notamment une capacité anti-sous-marine. L’arme sous-marine restera une composante essentielle des grandes marines de guerre. Le sous-marin nucléaire est et restera le sous-marin de supériorité. Les marines possédant la capacité nucléaire la conserveront, en limitant son volume au strict nécessaire de façon à limi­ter les dépenses et s’efforceront de dissuader les autres marines (les adhérents potentiels) de s’équiper par tous les moyens possibles.