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A. Bidaud :énergie nucléaire 1 Energie Nucléaire Adrien Bidaud 1 Avec de nombreux emprunts à A. Nuttin, O. Meplan, S. David 1 Laboratoire de Physique Subatomique.

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1 A. Bidaud :énergie nucléaire 1 Energie Nucléaire Adrien Bidaud 1 Avec de nombreux emprunts à A. Nuttin, O. Meplan, S. David 1 Laboratoire de Physique Subatomique et Cosmologie (CNRS/UJF/INPG) Pourquoi on ne comprend rien aux « débats » sur

2 A. Bidaud :énergie nucléaire 0/ C'est quoi l'énergie ? 1/ L'énergie nucléaire c'est l'énergie de masse Est-ce E=Mc^2 qui fait l'électricité? 2/ Peut on faire du nucléaire « propre » ? 3/ Conflit de génération Est-ce que la 4ème génération tuera ses parents ? 4/ ITER : le soleil sur terre ? Quelques sources d'incompréhension

3 A. Bidaud :énergie nucléaire Obscurantisme Invariant du temps de l'équation de Schrödinger Thermodynamique 1 er principe « Au cours des transformations, l'énergie se conserve » 2nd principe « L'energie se conserve mal » Mécanique Energie = travail d'une force Conséquence : Discuter de la répartition des transferts d'énergies (pétrole...) contribue à la discussion sur la répartition des échanges de travail humain (Economie/politique) => il n'y a pas de séparation entre la politique de l'énergie et l'économie C'est quoi l'énergie ? 12 T1>T2 Q M h

4 A. Bidaud :énergie nucléaire 4 Est-ce E=Mc^2 qui fait l'électricité? Noyau Lourd neutron meV-MeV PF 1 PF 2 Produit de fission (PF) 2.5 neutrons energie cinétique = 2 MeV M >M 1 + M 2 M = 200 MeV/c 2 L'énergie nucléaire est extraordinairement dense > fois l'énergie de liaison des électrons dans les atomes Mais seulement 1/1000 de E=Mc 2 Seule l'énergie de liaison entre nucléons est utilisée HN FP

5 A. Bidaud :énergie nucléaire 5 Une personne en France consomme (électricité) 1000 W = 9000 kWh/an = 32 GJ / = fissions = 0.4 gramme / = molécules = 1 tonne Lénergie nucléaire est une énergie très concentrée Fission Unités Energie libérée = E PF (165 MeV) +, (30 MeV) + E n (5 MeV) = 200 MeV = x = J CH 4 +2O 2 CO 2 +2H 2 O eV = J Energie 1 TEP = 11600kWh = 42GJ, 1 baril = 159 litres Puissance 1W = 1J/s = 8,76Wh/an Gaz naturel

6 A. Bidaud :énergie nucléaire Z = nb protons N = nb neutrons Vallée de stabilité Pb Uranium Noyau pouvant fissionner Peut on faire du nucléaire « propre » ? Les produits de fission ont le même ratio N/Z que le noyau lourd initial sont « riches en neutrons » (ce qui permet la réaction en chaine !) sont radioactifs (ils émettent de la chaleur « résiduelle », même quand la réaction en chaine est stoppée ) C'est la courbure de la vallée de stabilité qui rend la réaction en chaine possible et l'absence de radioactivité impossible Le nombre de masse est conservé

7 A. Bidaud :énergie nucléaire Réaction en Chaine neutron N + 1 captures U-238 ou U-235 N + 1 fuites fissions U-235 Facteur de multiplication k = Nombre de fission induite par fission k = 1 : La réaction en chaine s'auto-entretient Le réacteur est critique absorptions structure Les réacteurs nucléaires sont constitué d'un assemblage adéquat de caloporteur et de combustible avec un équilibre parfait entre les matériaux absorbants et les matériaux fissiles

8 Transparency, Safety Culture Safety Autority Nuclear Reactor Safety : « in-depth defense » To protect the environnement from radioactivity dangers you need to: put barriers (at least 3) between radioactivity and the environnement (ex : fuel cladding, primary circuit, reactor building) extract decay heat at all time (with different systems) control reactivity to forbid chain reaction (avoid unstable reactor design, control rods, boron…) You need to control the operators with strict laws and have them applied by a safety autority, independant from the industry interests if possible You can improve the safety and social acceptance of nuclear energy by authorising local citizens to review the safety reviews : transparence. Globally, you have to encourage the sharing of a « safety culture » Criticality control Cooling systems Confinements Radioactivity

9 A. Bidaud :énergie nucléaire Cadre réglementaire LOI no du 13 juin 2006 relative à la transparence et à la sécurité en matière nucléaire –Création de lASN –Création des Commissions Locales dInformation Loi n° du 28 juin 2006 de programme relative à la gestion durable des matières et déchets radioactifs –3 axes de recherche « complémentaires » –ANDRA (dont financement=taxe) –Financement du démantèlement 9

10 A. Bidaud :énergie nucléaire Loi Transparence et Sureté Nucléaire (TSN) Article 2.II En application du principe de participation et du principe pollueur-payeur, les personnes exerçant des activités nucléaires doivent en particulier respecter les règles suivantes : 1 Toute personne a le droit, dans les conditions définies par la présente loi et les décrets pris pour son application, dêtre informée sur les risques liés aux activités nucléaires et leur impact sur la santé et la sécurité des personnes ainsi que sur lenvironnement, et sur les rejets deffluents des installations ; 2 Les responsables de ces activités supportent le coût des mesures de prévention, et notamment danalyses, ainsi que des mesures de réduction des risques et des rejets deffluents que prescrit lautorité administrative en application de la présente loi. Article 22. II II. – La commission locale dinformation comprend des représentants des conseils généraux, des conseils municipaux ou des assemblées délibérantes des groupements de communes et des conseils régionaux intéressés, des membres du Parlement élus dans le département, des représentants dassociations de protection de lenvironnement, des intérêts économiques et dorganisations syndicales de salariés représentatives et des professions médicales, ainsi que des personnalités qualifiées. 10

11 A. Bidaud :énergie nucléaire 11 Combien de nucléaire en France, Mr Sarkozy ? Heum, heu… 50% de lélectricité Mme Royal Non !! 17 % !! Heu non pas 17%, mais en tout cas il faut lancer la génération 4, lEPR ! Mais lEPR cest génération 3 ! Mais il vaudrait mieux la 4 ème génération, car le combustible, cest les déchets daujourdhui !!

12 A. Bidaud :énergie nucléaire Underground final repositories will be dug in very stable geological grounds Medium Activity and High Activity wastes are expected to be stored for million years without noticeable increase of radioactivity on the surface Waste management Partitioning and transmutation can be used to reduce the activity and heat of wastes sent to final repository If Plutonium is used in reactors and recycled, the activity is decreased by more than a factor 10 If Thorium is used, another factor 10 could be achieved The solutions for waste management will be contry specific and history specific

13 A. Bidaud :énergie nucléaire 13 - La radiotoxicité à long terme est dominée par le Plutonium - Ce plutonium est majoritairement FISSILE et donc « facilement » réutilisable Plutonium Radiotoxicity after 1000 years Fission Products (FP) Minor actinides (MA) Plutonium Réduction des déchets par recyclage des actinides Plutonium recycling Spent Fuel Noreprocesisng UraniumOre(mine) Time (years) Relative radio toxicity P&T of MA Pu+ MA + FP MA + FP

14 (source NEA/OECD, 2006) Resources consumption World nuclear production285 GWe (full power equiv.) World natural U consumption60,000 t/year Imbalance between uranium consumption and extraction Should we get prepared to an « uranium peak » ? What is the definition of the resources ? 285 GWe (full power equiv.) ===== 60,000 t/year Resources U (reserves+RAR+Infered Resources) millions of tons ?? Production Potential - at present rate (and use) 200 – 400 years - scenario « nuclear x 8 » & optimizations of U nat use in LWR 50 – 100 years

15 A. Bidaud :énergie nucléaire URANIUM RESOURCES 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07 1,00E+08 1,00E+09 1,00E+10 1,00E+11 1,00E+12 1,00E+13 1,00E+14 0,0001 0,0010,010, ORE GRADE (PARTS PER MILLION OF URANIUM) ESTIMATED AMOUNT OF URANIUM (TONS) AVERAGE CRUST BLACK SHALES VEIN DEPOSITS VEIN DEPOSITS PEGMATITES UNCONFORMITY DEPOSITS FOSSIL PLACERS SANDSTONES VOLCANIC DEPOSITS SHALES PHOSPHATES GRANITES EVAPORITES SILICEOUS OOZE CHERT OCEANIC IGNEOUS CRUST FRESH WATER OCEAN WATER Conventional resources (identified) (< 130 US$/kg) 4.7 MtU Oceans 4500 MtU Earth crust 1000 MtU/m The lower the grade, the higher to cost of extraction, the more resources exists There will always be uranium. At what cost ?

16 A. Bidaud :énergie nucléaire Breeding fissile materials Th-232 U-234 U-235 0,7% U-233U-236U-232 Np-237 Pu-242Pu-241Pu-240Pu-239Pu-238 Am-243Am-242Am-241 Cm-245Cm-244 U % number of protons Number of neutrons U-239 Np-239 +n Fission +n - - Fission Natural materials Natural fissile materials Material produced with neutron absorption

17 A. Bidaud :énergie nucléaire Did GEN IV existed before GEN II ? EBR I ( ) (Experimental Breeder Reactor) first nuclear reactor connected to the grid ! SuperPhénix ( ) France has more expericence with dismantling a 1200MWe Sodium breeder reactor than PWR !!! Communication is ALWAYS very oriented when energy issue is involved…

18 A. Bidaud :énergie nucléaire Sodium cooled Fast Reactor Fast Spectrum Coolant: Na Very good coolant (& cheap) Low pressure Industrial experience but Chemically reactions with air/water Need extra coolant system to separate radioactive sodium from (water) steam generators extra costs Temperature: 550°C Closed fuel cycle R&D (passive) Safety Design simplification (cost) MA Fuel fabrication SFR Na Fast reactor « SuperPhénix » Water Reactor

19 A. Bidaud :énergie nucléaire Breeding & resources Price per kWh Breeder LWR – Enriched U 130 $/kg>1000 $/kg U nat price Price defining the « ultimate » resources 130$/kg used to be the highest price of uranium for reported resources ! 130$/kg is already the spot price today ! Are we at the end of known resources ?

20 A. Bidaud :énergie nucléaire Breeding & resources (2) The discussion about resources is complicated Interdisciplinary research shows that Breeder reactors have to be competitive to coal not to other nuclear reactors This approach is much too simplified ! The dynamics of future GEN nuclear reactor will be dependant on Availability of local alternatives (ex : coal, hydro...) Availability of fissile materials : nuclear history GEN IV reactor need no Natural uranium feed but still need a critical mass to start ! The possible development of breeders (if any) will be country specific…

21 A. Bidaud :énergie nucléaire 21 de fission de capture (ex: 235 U + n 236 U) de diffusion (ralentissement des neutrons) Sections efficaces Lissage des résonnances

22 A. Bidaud :énergie nucléaire 22 La régénération a besoin de neutrons Pour une fission neutrons sont produits 1 neutron induit la fission neutrons capturés = cap / fis du noyau fissile 1 + neutrons capturés sur le fertile pour régénérer le fissile + - – 2 ( 1 + ) > 0 régénération possible < 0 régénération impossible La régénération et Caractéristiques du noyau fissile uniquement

23 A. Bidaud :énergie nucléaire 23 Nd (E) = - 2(1+ (E)) Spectre thermique Th/U Nd > 0 U/Pu Nd < 0 Spectre rapide Th/U Nd > 0 U/Pu Nd > 0 Cycle Uranium 238 U + n 239 U 239 Np (2j) 239 Pu Cycle Thorium 232 Th + n 233 Th 233 Pa (27j) 233 U La régénération

24 A. Bidaud :énergie nucléaire Energie de liaison

25 A. Bidaud :énergie nucléaire D+T => He 4 + n +17MeV= D et T portent 1 charge électrique ! ==> réaction à seuil ! ITER : The Sun on Earth ?

26 A. Bidaud :énergie nucléaire ITER : The Sun on Earth ? Contraintes : Extraction de chaleur (grande puissance, Petite surface du tore) Resistance aux neutrons (porteurs de l'essentiel de l'énergie) Bobines suppra (4K à <1m du plasma) Regeneration du T... (demi vie 13ans, à regenerer sur du lithium)


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