Ruptures technologiques: le rôle du nucléaire

(Idées 8 Février 2011)

Jean-Paul Langlois

Grandes caractéristiques de l’énergie nucléaire

• Energie très concentrée: (1 tonne d’Unat eq. 10 000TEP à 500 000TEP)• Marché de l’U très spécifique: 1 seul usage civil, pas de substitut et part faible

dans la valeur du produit final (5 à 10%), mais heureusement stockable.• Industrie très capitalistique• Nucléaire et nations:

– Aspects proliférants– Nécessite haut niveau technologique, réseau électrique dense, infrastructures de

contrôle et stabilité politique à long terme• Nucléaire et opinion publique

– Comportement très culturel par rapport au nucléaire électrogène• Echelle des temps:

– Cycle d’une centrale: 1 siècle– Gestion des déchets sur le long terme – Progrès technologiques lents (processus d’approbation sûreté),

» => Vision nécessaire au moins à l’échelle du siècle

Le calendrier des générations nucléaires

Generation I

Generation II

1950 1970 1990 2010 2030 2050 2070 2090

Generation III

Premières réalisations

UNGGCHOOZ

Réacteurs actuels

REP 900 REP 1300N4 (1450) EPR (1600)

Réacteurs avancés

Systèmes du futur

Generation IV

Les grands programmes dans le monde

• 1960-1980: Angleterre, USA, Canada, Allemagne, Suède

• 1970-2000: France, Japon• 2000-2020: Chine, Corée, «URSS », Inde,

Europe de l’Est• Après 2020: Chine, Inde, Europe

Production d’électricité en France depuis 1950

0

100

200

300

400

500

TWh

1950 1960 1970 1980 1990 2000

575 TWh

Hydraulique et Enr

Nucleaire

Fossiles12%

77%

11%

600

2007Source IEA

Les raisons du succès du programme nucléaire en France

• Un choc psychologique : la crise de 1973 permettant une prise de risque industriel

• Une tradition française de grands programmes nationaux centralisés (financement garanti par l’Etat, opinion publique globalement favorable)

• EDF, 1er électricien mondial et organisme d’état• Une volonté politique inscrite dans la continuité• Une filière éprouvée aux USA (PWR Westinghouse),

une industrie française performante et une R&D solide (CEA et EDF)

Quel futur en France?

Source: CEA

Chine

Des systèmes déployables à l’horizon 2040

Des atouts pour de nouvelles applications Hydrogène, eau potable, chaleur

Une R&D internationalisée

De nouvelles exigences pour un nucléaire durable

La 4ème génération : vers un nucléaire durable

Des progrès en continuité : - Compétitivité économique- Sûreté et fiabilité

Membresdu Forum

InternationalGénération

IV

Membresdu Forum

InternationalGénération

IV

U.S.A.

Argentine

Brésil

CanadaFrance

Japon

Afrique du Sud

Corée du Sud

Suisse

U.E.

Des avancées :- Minimisation des déchets- Économie des ressources- Résistance à la prolifération

Royaume Uni Russie

Cycle du combustible ouvert

Le cycle du combustible ouvert permet de définir :- l’amont : les étapes nécessaires à la fabrication du combustible à

charger en réacteur - l’aval : le devenir du combustible à la sortie du réacteur

Fabrication2,2 t U enrichi 4,5 Assemblages

Mines : 20 t U nat

Production d’électricité 1 TWhe

Enrichissement15 000 UTS 18 t U appauvri Stockage géologique

HLW 3,9 m3

Pu = 29 kg – AM = 3.5 kgU = 2030 kg

Conditionnement

Conditions d’un développement durable

• 1/ Ressources primaires en quantité suffisant et accessibles dans des conditions acceptables (économie et environnement)

• 2/Gestion acceptée des déchets

• 3/Gestion de la non prolifération

Assumptions: Energy need and nuclear capacity (source CEA-Tésé)

IIASA A2 IIASA A3 IIASA B IIASA C2

16:47 lun 10 sep 2007Page 5

2000 2030 2060 2090 2120 2150

Years

1:

1:

1:

0

5000

10000

Puissance nette totale: 1 - 2 - 3 - 4 -

1 1

1

1

1

2

2

2

2

2

3

3

3

3

3

44

4

4

4

Year

GWe

13:46 lun 17 aoû 2009

Untitled

Page 1

2000 2030 2060 2090 2120 2150

Years

1:

1:

1:

0

100

200

Puissance totale nette à installer: 1 - 2 - 3 - 4 -

1

1

1

1

1

22

22

2

3

3

3

3

3

4 4

4 4

4

Nuclear power to be installed (source CEA-Tésé)

Net power to be installed every year

1 : IIASA A2 2 : IIASA A3 3 : IIASA B 4 : IIASA C2

GWe Replacement of the fleet

Ressources mondiales d’uranium (Livre rouge AEN 2010)

• Ressources non classiques :–Sous-produit d’importance secondaire (associé à des phosphates, des schistes

noirs, etc…) 22 MtU ( > 100-120 $/kgU)–« Gisements » de faible teneur (eau de mer…) 4 000 MtU (> 1000 $/kgU ?)

Ressources conventionnelles ou classiques (MtU)

Identifiées Non découvertes

Raisonnablement assurées Présumées Pronostiquées Spéculatives

< 40 $/kg U 0,6 0,21,7

40-80 $/kg U 1,9 1,0

80-130 $/kg U 1,0 0,7 1,1

130-260 $/kg U 0,5 0,4 0,1

Sous total 4,0 2,3 2,9 7,5

Total 6,3 MtU 10,4 MtU

Les ressources en uranium

• Répartition des ressources identifiées (< 130$/kgU)

Les ressources raisonnablement assurées en uranium

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1 00

0 tU

USD 130-260/kgU

USD 80-130/kgU

USD 40-80/kgU

< USD 40/kgU

Installation de REP uniquement, sans recyclage (source CEA-Tésé)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

2000 2020 2040 2060 2080 2100 2120 2140Années

Mt

A2

A3

B

C2

16 Mt

38 Mt

IIASA A2 IIASA A3 IIASA B IIASA C2

=> Les réacteurs à neutrons rapides apparaissent nécessaires au développement durable du nucléaire

Uranium consommé

← Uranium non conventionnel

← Uraniumconventionnel

0

20

40

60

80

100

120

140

2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 2110 2120 2130 2140 2150

PWR only, open cycle

PWR only, MOX & ERU

deployment of 20% FR

deployment of self breeder FR

deployment of FR with BG= 0.3

0

20

40

60

80

100

120

140

2000 2020 2040 2060 2080 2100 2120 2140

IIASA B Scenario (source CEA-Tésé)

0

20

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60

80

100

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140

2000 2020 2040 2060 2080 2100 2120 2140

Consumed Uranium

Mt Mt

Consumed and engaged Uranium

0

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120

140

2000

2020

2040

2060

2080

2100

2120

2140

16 Mt Conventional resources

38 Mt (+ 22 Mt unconventional resources)

Engaged Uranium: future uranium consumption for the already installed reactors for their remaining life time

Radiotoxicité après 1 000 ans

Produits de fission

Actinides mineurs

Plutonium

Composition du combustible usé

Coques et embouts : déchets moyenne activité vie longue

Matières recyclables (96 %)Produits de Fission :20 kg

(4 %)Actinides mineurs :~ 0,5 kg

(0,1 %)

Déchets haute activité (4%)

Plutonium :

5 kg ( 1 %)

Uranium : 475kg (95 %)

- Le plutonium constitue la plus grande partie de la radiotoxicité de longue durée du combustible usé,

- Il a un potentiel énergétique important

Cycle fermé = recyclage

Combustible UOX usé

Uranium

La Hague traitement UOXLa Hague

traitement UOX

Produits de fission et Actinides mineursProduits de fission

et Actinides mineursDéchets vitrifiés

MOX

Déchet vitrifiéColis CSD-V

Enrichissement

UOX

Minerai

entreposage MOX

Plutonium

Schéma du cycle du combustible mis en œuvre industriellement en France

Radiotoxicité des déchets en fonction du temps

1

0,1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000 1000000

Temps (années)

Radi

otox

icité

re

lativ

e

PFAM +PF

Combustible usé( Pu + AM + PF)

Minerai uranium naturel1

0,1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000 1000000

Temps (années)

Radi

otox

icité

re

lativ

e

Combustible usé (U + Pu + Actinides Mineurs + Produits de Fission)

Verres actuels : Actinides Mineurs + Produits de Fission

Verres sans actinides mineurs (transmutation)

Le cycle du combustible pour la 4ème génération

R T

U

PF

U Pu AM

R T

U

AM

U Pu

PFR T

U

PF AM

U Pu

Recyclage homogène Recyclage hétérogène

Recyclage U Pu seuls

Économie des ressources

Minimisation des déchets

Résistance à la prolifération (objectifs Gen IV)

50 fois plus d’électricitéavec la même quantité

d’uranium naturel

Plusieurs options d’ambition croissante que le prototype doit permettre d’évaluer au plan technico-économique :

Autres ruptures technologiques possibles

• GEN IV en réacteurs rapides à gaz

• Cycle Thorium

• Réacteurs à fusion

Réacteurs à gaz• Avantages:

– Gaz inerte et transparent (He)– Permet des températures plus élevées

• Inconvénients– Absence d’expérience sur les RNR gaz– Fuites possibles– Pb matériaux (HT)– Sûreté neutronique

• Histoire et projets– HTR Fort StVrain– REDT

Cycle Thorium

• Avantage: – Contourne l’Uranium une fois la filière lancée

• Inconvénients:– Th fertile et non fissile (=>U233)– Cycle à développer

• Histoire et projet:– Pays concernés: Inde, Norvège et Canada– Histoire:– Projets

Réacteurs à fusion• Physique connue mais non linéaire

• Symbolisme de l’union internationale (sommet de Genève 1985)

• Enormes défis technologiques (taille, températures, pressions, irradiations, déchets technologiques, régénération du T, évacuation puissance)

• Faisabilité physique acquise (JET+TOR)

• Faisabilité scientifique et technique 500MWTh (ITER sans évacuation d’énergie): 2020

• Faisabilité industrielle DEMO (1500MWe) 2030

• Faisabilité économique au mieux 2040-2050

Autres types de rupture

• Nucléaire non uniquement électrogène:– Chaleur – Production d’hydrogène– Production de biocarburants

• Petites centrales embarquées (barge Rosatom, projet Flexblue de DCNS)

Conclusions:

• Technologie disponible aujourd’hui pour une production d’électicité bas carbone dans des conditions économiques compétitives

• Durabilité dépendant à la fois des succès dans l’implantation du nucléaire, des évolutions du marché de l’U. et du développement de GEN IV

• Les différences géopolitiques se conserveront. Avantage pour la France de disposer de GEN IV et de s’affranchir ainsi du pb de la disponibilité d’Uranium

• Merci de votre attention….

Source IEA : Energy to 2050

World Energy demand increases

During last Century the world consumption has increased of a factor 16

Today, nearly 2 billion people without electricity

0

5

10

15

20

25

30

1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050

Wo

rld

Pri

ma

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ne

rgy

So

urc

es

(G

toe )

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6,5

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7,5

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8,5

9

Wo

rld

Po

pu

lati

on

(B

illio

ns)Other Renewables

Biomass

Nuclear

Gas

Oil

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Population

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1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050

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9Other Renewables

Biomass

Nuclear

Gas

Oil

Coal

Population

Vision BP décembre 2011

Les enjeux du proto Sodium, ASTRID

Enjeu déchets : R&D pour la transmutation en réponse à la loi du 28 juin 2006

un réacteur capable de transmuter les actinides mineurs

Enjeu Ressources / Compétitivité : incertitudes sur les réserves, sur le développement du parc de 3ème génération, mais le multi-recyclage du Pu sera dans un élément de détente du marché et de sécurité d’approvisionnement

Un réacteur plus sûr, plus économique, plus facile à exploiter, capable de fonctionner à partir de l’U appauvri

Ces deux enjeux sont liés : par exemple, combustible MOX usé

Enjeu de leadership international : L’Inde et la Russie construisent des réacteurs « pré-commerciaux » qui vont diverger en 2010-2012, ils sont centrés sur l’enjeu « ressources / compétitivité ».

Disposer d’un produit compétitif pour le marché futur

Cahier des charges du prototype INDUSTRIEL RNR-Na

1. Faisabilité technique est acquise

2. Enjeux Filière : Sûreté (meilleure que Gen III pour l'ASN) ; Exploitabilité (demande forte d'EDF suite au REX RNR-Na) ; Compétitivité

3. Les réponses à ces enjeux, et en particulier la sûreté ne peuvent être démontrés que dans un prototype électrogène de puissance 300 – 600 MWé

4. Économie des ressources : Isogénération

5. Gestion des déchets :

Multirecyclage Pu

Recyclage AM

6. Des installations du cycle associées sont nécessaires Possibilités d’irradiations à l’échelle de l’assemblage (combustibles avancés, combustibles porteurs d’AM)

Besoin Expérimental

Les prototypes et installations associées

En référence le proto RNR sodium : 600-1500 MW thermiques250- 600 MW électriques Précurseur de tête de série,

Outil d’irradiation

Pour le faire fonctionner : l’AFC (Atelier Fabr. Combustible)

Combustibles MOX (10 t /an), La Hague

Pour la R&D transmutation : l’AFM (Atelier Fabr. Micropilote)

Combustibles avec A.M. (10-100 kg/an), La Hague

Une filière alternative et avancée : RNR gazALLEGRO , 50 – 70 MW thermiques, en Europe

ASTRID

ALLEGRO