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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.

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1 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 DAVID CNRS/IN2P3 Institut de Physique Nucléaire dOrsay, France - Introduction - Potentiel des réacteurs standards - Les surgénérateurs principe de base les concepts « Géneration 4 » - Conclusions

2 S.David, les filières nucléaires du futur, Atelier Prog. Energie CNRS – Gat « socioé économie », 20 Janvier 2005, Nogent sur Marne 2 De forts besoins en sources dénergie qui némettent pas de CO 2 Le nucléaire aide déjà à émettre moins de CO 2 Energie nucléaire et émission de CO 2 Emission maximale de CO 2 par habitant pour stabiliser le climat à T=+2°C Tons of Carbon / capita / year Ref: J.-M. Jancovici, -40% démission de CO 2 pour la France (75% délectricité nucléaire) par rapport à lAllemagne (30% délectricité nucléaire)

3 S.David, les filières nucléaires du futur, Atelier Prog. Energie CNRS – Gat « socioé économie », 20 Janvier 2005, Nogent sur Marne 3 Ex: scenario TotalFinaElf, nuclear power 20% in 2050 (x8) Réserves limitées de combustibles fossiles Nuclear Oil Gas Coal Gtoe/y Hydro Renewable Ref: P.-R. Bauquis, TotalFinaElf Nuclear power Electricity Heat Hydrogen Desalinated water … Réserves limitées de combustibles fossiles

4 S.David, les filières nucléaires du futur, Atelier Prog. Energie CNRS – Gat « socioé économie », 20 Janvier 2005, Nogent sur Marne 4 - Le nucléaire peut être amené à jouer un rôle important dans le futur - Selon les hypothèses dun scénario (économie, déchets, inventaire fissile, prolifération, etc…), le déploiement du nucléaire ne se fera pas avec les mêmes technologies

5 S.David, les filières nucléaires du futur, Atelier Prog. Energie CNRS – Gat « socioé économie », 20 Janvier 2005, Nogent sur Marne 5 Th % U U % U % Z N Noyau fissile Uranium Z=92 Thorium Z=90 U naturel 0.7% of 235 U U enrichi 3.5% of 235 U 3 ans en REP U appauvri : 0.25 % d 235 U Réacteurs standard (type REP) Réacteurs standard

6 S.David, les filières nucléaires du futur, Atelier Prog. Energie CNRS – Gat « socioé économie », 20 Janvier 2005, Nogent sur Marne 6 /(GWe.an) fissionné1 t enrichi30 t naturel200 t Consommation dUranium La consommation dUranium peut être réduite dans les réacteurs standards sans modification majeure - réduction des rejets d 235 U dans lUran ium appauvri - augmentation du burn-up - retraitement et ré-enrichissement de luranium irradié La consommation minimale dUranium est de lordre de 100t/GWe.an Réacteurs standard

7 S.David, les filières nucléaires du futur, Atelier Prog. Energie CNRS – Gat « socioé économie », 20 Janvier 2005, Nogent sur Marne 7 Réserves dUranium millions of tons Réserves prouvées < 80$/kg2.5 < 130$/kg4.4 Ressources ultimes estimées AIEA16 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

8 S.David, les filières nucléaires du futur, Atelier Prog. Energie CNRS – Gat « socioé économie », 20 Janvier 2005, Nogent sur Marne 8 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 dautres arguments (déchets, prolifération, etc…) les surgénérateurs peuvent être déployées plus tôt Production nucléaire mondiale285 GWe (équivalent pleine puissance) Consommation mondiale dU nat60000 t/an Réserves U (RRA+RSE+spéculatives) millions of tons Potentiel de production - au taux actuel (et utilisation actuelle de U)280 – 400 years - scénario « nucléaire x 10 » et optimisation de lutilisation de lU nat en REP 50 – 80 years Potentiel des filières standards

9 S.David, les filières nucléaires du futur, Atelier Prog. Energie CNRS – Gat « socioé économie », 20 Janvier 2005, Nogent sur Marne 9 Nucléaire durable : principe de la régénération Principe de la régénération Régénération = produire un noyau fissile par capture neutronique sur un noyau fertile Cycle Uranium 238 U + n 239 U 239 Np (2j) 239 Pu Cycle Thorium 232 Th + n 233 Th 233 Pa (27j) 233 U Noyaux fissiles Noyaux fertiles - 2 noyaux fertiles naturels: 238 U et 232 Th - La régénération permet de résoudre le problème des réserves pendant des millénaires (potentiel minerai uranium x thorium) - Un réacteur de 1GWe régénérateur consomme 1 t/an de minerai, contre 200 t/an actuellement

10 S.David, les filières nucléaires du futur, Atelier Prog. Energie CNRS – Gat « socioé économie », 20 Janvier 2005, Nogent sur Marne 10 Nucléaire durable : régénération La régénération a besoin de neutrons Cycle 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 238 U 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

11 S.David, les filières nucléaires du futur, Atelier Prog. Energie CNRS – Gat « socioé économie », 20 Janvier 2005, Nogent sur Marne 11 - 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 233 U / réacteur de 1 GWe Nucléaire durable : régénération

12 S.David, les filières nucléaires du futur, Atelier Prog. Energie CNRS – Gat « socioé économie », 20 Janvier 2005, Nogent sur Marne 12 Cycle régénérateur Uranium / Plutonium Régénération possible avec des neutrons de haute énergie Réacteurs à neutrons rapides (RNR) Leau 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

13 S.David, les filières nucléaires du futur, Atelier Prog. Energie CNRS – Gat « socioé économie », 20 Janvier 2005, Nogent sur Marne 13 - On peut démarrer un parc de réacteurs régénérateurs U/Pu rapides, seulement après 50 ans dun 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 dannées Un REP produit en 50 ans Inventaire initial dun 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

14 S.David, les filières nucléaires du futur, Atelier Prog. Energie CNRS – Gat « socioé économie », 20 Janvier 2005, Nogent sur Marne 14 PWRs dominate up to 2070 Transition towards FBR U/Pu reactors Scenario Characteristics: Consumed Natural Uranium: 15Mtons in 2100 Pu in Cycle: ~ 45 ktons Significant Production of Minor Actinides (Am, Cm, …) Nucléaire durable : les réacteurs rapides

15 S.David, les filières nucléaires du futur, Atelier Prog. Energie CNRS – Gat « socioé économie », 20 Janvier 2005, Nogent sur Marne 15 Le 6 ème concept «Gen 4» est le réacteur à sels fondus Qui permet dutiliser 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

16 S.David, les filières nucléaires du futur, Atelier Prog. Energie CNRS – Gat « socioé économie », 20 Janvier 2005, Nogent sur Marne Stock Pu actuel 230 t Inventaire Pu nécessaire pour un parc de 60GWe en RNR 750 t 2080 La transition vers une filière à neutrons rapides nécessite de stocker de la matière fissile pendant des dizaines dannées 100 t Inventaire fissile ( 233 U) pour la filière thorium Scénarios de transition Études CNRS Application au cas français Nucléaire durable : application parc français

17 S.David, les filières nucléaires du futur, Atelier Prog. Energie CNRS – Gat « socioé économie », 20 Janvier 2005, Nogent sur Marne 17 Mine REP Mine Th Recyclage des actinides mineurs Noyaux lourds Th, U, Pu, Am, Cm, … Gen 4 Minerai U, Th déchets: - produits de fission - 0.1% U, Pu - 0.1% Np, Am, Cm Nucléaire durable : radiotoxicités induites FBR U/Pu MSR Th/U U4kg< 1 g Pu600 g20 g Am200 g1.3 g Cm50 g5 g Wastes /GWe/y.

18 S.David, les filières nucléaires du futur, Atelier Prog. Energie CNRS – Gat « socioé économie », 20 Janvier 2005, Nogent sur Marne 18 - Les réacteurs surgénérateurs de génération 4 se justifieront économiquement quand le prix de luranium aura atteint environ 400 $/kg - Cette limite peut être atteinte vers le milieu de ce siècle si le nucléaire est multiplié par 10 dici là - Les surgénérateurs sont « durables » sur des millénaires et deux filières sont possible La filière à neutrons rapides Uranium-Plutonium La filière thorium « plus innovante » en réacteurs à sels fondus - Dun point de vue des déchets et gestion des matières fissiles, les surgénérateurs sont « meilleurs », ce qui pourrait « accélérer leur déploiement Conclusion

19 S.David, les filières nucléaires du futur, Atelier Prog. Energie CNRS – Gat « socioé économie », 20 Janvier 2005, Nogent sur Marne 19 - 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 aujourdhui une politique de diminution des stocks de plutonium (qui domine la radiotoxicité des combustibles usés) tout en démarrant des réacteurs « durables » dès 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 lon pourrait rapidement envisager de retraiter les MOX, ce qui permet denvisager dincinérer les déchets (Américium et Curium) qui sy trouvent Conclusion

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