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S.David, les filières nucléaires du futur, Atelier Prog. Energie CNRS – Gat « socioé économie », 20 Janvier 2005, Nogent sur Marne 1
Les filières nucléaires du
futur
Sylvain DAVIDCNRS/IN2P3Institut de Physique Nucléaire d’Orsay, [email protected]
- Introduction- Potentiel des réacteurs standards- Les surgénérateurs principe de base les concepts « Géneration 4 »- Conclusions
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De forts besoins en sources d’énergie qui n’émettent pas de CO2 Le nucléaire aide déjà à émettre moins de CO2
Energie nucléaire et émission de CO2
Emission maximale de CO2 par habitant pour stabiliser le climat à T=+2°C
Tons of Carbon / capita / year
Ref: J.-M. Jancovici, www.manicore.com
-40% d’émission de CO2 pour la France (75% d’électricité nucléaire) par rapport à l’Allemagne (30% d’électricité nucléaire)
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Ex: scenario TotalFinaElf, nuclear power 20% in 2050 (x8)
Réserves limitées de combustibles fossiles
0
1
2
3
4
5
6
7
1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060
Scénario Total Fina Elf avec E (2050) = 2.5 E(2000)
NucléaireGaz naturelPétroleHydrauliqueCharbonRenouvelables (sauf hydraulique)
années
Nuclear
Oil
Gas
Coal
Gto
e/y
2000 2050
HydroRenewable
Ref: P.-R. Bauquis, TotalFinaElf
Nuclear power
ElectricityHeatHydrogenDesalinated water…
Réserves limitées de combustibles fossiles
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- Le nucléaire peut être amené à jouer un rôle important dans le futur
- Selon les hypothèses d’un scénario (économie, déchets, inventaire fissile, prolifération, etc…), le déploiement du nucléaire ne se fera pas avec les mêmes technologies
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Th-232100%
U-2340
U-23899.3%
U-2350.7%
Z
N
Noyau fissile
Uranium Z=92
Thorium Z=90
U naturel0.7% of 235U
U enrichi3.5% of 235U
3 ans en REP
U appauvri : 0.25 % d’235U
Réacteurs standard(type REP)
Réacteurs standard
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/(GWe.an)
fissionné 1 t
enrichi 30 t
naturel 200 t
Consommation d’Uranium
La consommation d’Uranium peut être réduite dans les réacteurs standards sans modification majeure - réduction des rejets d’235U dans l’Uran ium appauvri - augmentation du burn-up - retraitement et ré-enrichissement de l’uranium irradié
La consommation minimale d’Uranium est de l’ordre de 100t/GWe.an
Réacteurs standard
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Réserves d’Uranium
millions of tons
Réserves prouvées
< 80$/kg 2.5
< 130$/kg 4.4
Ressources ultimes estimées
AIEA 16
Extrapolation linéaire « reserves vs. prix » à 400$/kg (ref JF. Luciani, CEA)
23
Si on se base uniquement sur des critères éeconomiques » :Limite 400$/kg : les réacteurs à neutrons rapides deviennent compétitifs économiquement face aux REP
Réacteurs standard
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Réacteurs standard
- Les réacteurs standards ne sont pas durables si le nucléaire se développe massivement dans ce siècle- Dans ce cas, la transition vers des réacteurs surgénérateurs devient indispensable avant la fin du siècle- Si on prend en compte d’autres arguments (déchets, prolifération, etc…) les surgénérateurs peuvent être déployées plus tôt
Production nucléaire mondiale 285 GWe (équivalent pleine puissance)
Consommation mondiale d’U nat 60000 t/an
Réserves U (RRA+RSE+spéculatives) 16-23 millions of tons
Potentiel de production
- au taux actuel (et utilisation actuelle de U) 280 – 400 years
- scénario « nucléaire x 10 » et optimisation de l’utilisation de l’U nat en REP
50 – 80 years
Potentiel des filières standards
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Nucléaire durable : principe de la régénération
Principe de la régénérationRégénération = produire un noyau fissile par capture neutronique sur un noyau fertile
Cycle Uranium 238U + n 239U 239Np (2j) 239Pu
Cycle Thorium 232Th + n 233Th 233Pa (27j) 233UNoyaux fissiles
Noyaux fertiles
- 2 noyaux fertiles naturels: 238U et 232Th
- La régénération permet de résoudre le problème des réserves pendant des millénaires (potentiel minerai uranium x 200 + thorium)
- Un réacteur de 1GWe régénérateur consomme 1 t/an de minerai, contre 200 t/an actuellement
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Nucléaire durable : régénération
La régénération a besoin de neutronsCycle U/Pu en spectre thermique: 3 neutrons produits par fission 1 produit un nouvelle fission Pu
0.6 captués sur le Pu 1.6 capturés sur 238U pour régénérer le
Pu TOTAL 3.2 < 3 régénération impossible Cycle U/Pu en spectre rapide: 3 neutrons produits par fission 1 produit un nouvelle fission Pu
0.3 captués sur le Pu 1.3 capturés sur 238U pour régénérer
le Pu TOTAL 2.6 < 3 régénération possible Cycle Th/U en spectre thermique: 2.5 neutrons produits par fission 1 produit un nouvelle fission Pu
0.1 captués sur le Pu 1.1 capturés sur 238U pour régénérer
le Pu TOTAL 2.2 < 2.5 régénération possible
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- Un réacteur régénérateur a besoin de matière fissile pour démarrer
- Une fois démarré il ne consomme plus que du minerai fertile
- Inventaire en matière fissile
Cycle Uranium
Réacteurs à neutrons rapides
>12 t de Pu / réacteur de 1 GWe
Cycle Thorium
Réacteurs à neutrons thermiques
<2 t de 233U / réacteur de 1 GWe
Nucléaire durable : régénération
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Cycle régénérateur Uranium / Plutonium
Régénération possible avec des neutrons de haute énergie Réacteurs à neutrons rapides (RNR)
L’eau ralentirait les neutrons, il faut donc un autre fluide pour extraire la chaleur du cœur : Sodium (Superphénix), Plomb, ou gaz (hélium)
Na
Technologie « disponible », mais qui restera complexe
Pb
Pb : corrosion des matériaux de structure
He
Beaucoup de R&D !Combustible innovant à trouver
Nucléaire durable : les réacteurs rapides
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- On peut démarrer un parc de réacteurs régénérateurs U/Pu rapides, seulement après 50 ans d’un parc de réacteurs standards de type REP
- Transition lente, qui ne peut être terminée avant la fin du siècle
- Il faudra garder le plutonium pendant plusieurs dizaines d’années
Un REP produit en 50 ans
Inventaire initiald’un RNR Sodium
12 t de Pu
- Les réacteurs à neutrons rapides ont besoin de plutonium pour démarrer
- Si le nucléaire se développe, le plutonium est donc une matière fissile très précieuse, car les RNR U/Pu ont besoin de beaucoup de plutonium
Nucléaire durable : les réacteurs rapides
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• PWRs dominate up to 2070
Transition towards FBR U/Pu reactorsScenario Characteristics:
• Consumed Natural Uranium: 15Mtons in 2100
• Pu in Cycle: ~ 45 ktons
• Significant Production of Minor Actinides (Am, Cm, …)
Nucléaire durable : les réacteurs rapides
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Le 6ème concept «Gen 4» est le réacteur à sels fondusQui permet d’utiliser le cycle thorium régénérateur en spectre thermique
- sels fluorures- combustible = caloporteur- Retraitement en ligne- Pas de risque de fusion du coeur
R&D- Corrosion - Procédés chimiques
Nucléaire durable : le cycle thorium en sels fondus
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1975 2000 2025 2050 2100
Stock Pu actuel230 t
Inventaire Pu nécessaire pour un parc de 60GWe en RNR750 t
2080
La transition vers une filière à neutrons rapides nécessite de stocker de la matière fissile pendant des dizaines d’années
100 tInventaire fissile (233U) pour la filière thorium
Scénarios de transitionÉtudes CNRS
Application au cas français
Nucléaire durable : application “parc français”
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Mine REP
Mine Th
Recyclage des actinides mineurs
Noyaux lourdsTh, U, Pu, Am, Cm, …
Gen 4Minerai U, Th
déchets:- produits de fission- 0.1% U, Pu- 0.1% Np, Am, Cm
Nucléaire durable : radiotoxicités induites
FBRU/Pu
MSRTh/U
U 4kg < 1 g
Pu 600 g 20 g
Am 200 g 1.3 g
Cm 50 g 5 g
Wastes /GWe/y.
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- Les réacteurs surgénérateurs de génération 4 se justifieront économiquement quand le prix de l’uranium aura atteint environ 400 $/kg
- Cette limite peut être atteinte vers le milieu de ce siècle si le nucléaire est multiplié par ≈10 d’ici là
- Les surgénérateurs sont « durables » sur des millénaires et deux filières sont possible
La filière à neutrons rapides Uranium-PlutoniumLa filière thorium « plus innovante » en réacteurs à sels
fondus
- D’un point de vue des déchets et gestion des matières fissiles, les surgénérateurs sont « meilleurs », ce qui pourrait « accélérer leur déploiement
Conclusion
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- Une transition vers une filière à neutrons rapides « oblige » à garder et accumuler une grande masse de plutonium avant même de savoir à quelle date il sera utilisé
- Une transition vers le cycle thorium permettrait mettre en place dès aujourd’hui une politique de diminution des stocks de plutonium (qui domine la radiotoxicité des combustibles usés) tout en démarrant des réacteurs « durables » dès 2040
- Si ces réacteurs durables ne se justifient pas rapidement, la matière fissile est stabilisée et plus facile à gérer (uranium au lieu de plutonium)
- Cela signifie également que l’on pourrait rapidement envisager de retraiter les MOX, ce qui permet d’envisager d’incinérer les déchets (Américium et Curium) qui s’y trouvent
Conclusion
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