Les filières nucléaires du futur - Introduction - Potentiel des réacteurs standards - Les surgénérateurs principe de base les concepts « Géneration 4 » - Conclusions Sylvain DAVID CNRS/IN2P3 Institut de Physique Nucléaire d’Orsay, France sdavid@ipno.in2p3.fr

De forts besoins en sources d’énergie qui n’émettent pas de CO2 Energie nucléaire et émission de CO2 De forts besoins en sources d’énergie qui n’émettent pas de CO2 Le nucléaire aide déjà à émettre moins 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)

Réserves limitées de combustibles fossiles Ex: scenario TotalFinaElf, nuclear power 20% in 2050 (x8) Nuclear power Electricity Heat Hydrogen Desalinated water … Oil Gtoe/y Nuclear Gas Coal Hydro Renewable 2000 2050 Ref: P.-R. Bauquis, TotalFinaElf

- 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

Réacteurs standard Z N Noyau fissile Uranium Z=92 Thorium Z=90 0 U-235 0.7% U-238 99.3% Uranium Z=92 Th-232 100% Thorium Z=90 N U naturel 0.7% of 235U U enrichi 3.5% of 235U 3 ans en REP Réacteurs standard (type REP) U appauvri :  0.25 % d’235U

Consommation d’Uranium Réacteurs standard Consommation d’Uranium /(GWe.an) fissionné 1 t enrichi 30 t naturel 200 t 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

Réserves d’Uranium Réacteurs standard 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

Potentiel des filières standards Réacteurs standard Potentiel des filières standards 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 - 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

Principe de la régénération Nucléaire durable : principe de la régénération Principe de la régénération Régénération = produire un noyau fissile par capture neutronique sur un noyau fertile - 2 noyaux fertiles naturels: 238U et 232Th Cycle Uranium 238U + n  239U  239Np (2j)  239Pu Cycle Thorium 232Th + n 233Th 233Pa (27j)  233U Noyaux fissiles fertiles - 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

La régénération a besoin de neutrons 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 238U pour régénérer le Pu TOTAL 3.2 < 3  régénération impossible Cycle U/Pu en spectre rapide: 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

>12 t de Pu <2 t de 233U Nucléaire durable : régénération - 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

 Réacteurs à neutrons rapides (RNR) Nucléaire durable : les réacteurs rapides 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 Pb He Technologie « disponible », mais qui restera complexe Pb : corrosion des matériaux de structure Beaucoup de R&D ! Combustible innovant à trouver

Nucléaire durable : les réacteurs rapides - 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 Un REP produit en 50 ans 12 t de Pu Inventaire initial d’un RNR Sodium   - 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

Nucléaire durable : les réacteurs rapides Transition towards FBR U/Pu reactors Scenario Characteristics: PWRs dominate up to 2070 Consumed Natural Uranium: 15Mtons in 2100 Pu in Cycle: ~ 45 ktons Significant Production of Minor Actinides (Am, Cm, …)

Nucléaire durable : le cycle thorium en sels fondus Le 6ème concept «Gen 4» est le réacteur à sels fondus Qui 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

Scénarios de transition Nucléaire durable : application “parc français” Application au cas français Inventaire Pu nécessaire pour un parc de 60GWe en RNR 750 t La transition vers une filière à neutrons rapides nécessite de stocker de la matière fissile pendant des dizaines d’années Scénarios de transition Études CNRS Stock Pu actuel 230 t 100 t Inventaire fissile (233U) pour la filière thorium 1975 2000 2025 2050 2080 2100

Nucléaire durable : radiotoxicités induites 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 Mine REP Mine Th Wastes /GWe/y. FBR U/Pu MSR Th/U U 4kg < 1 g Pu 600 g 20 g Am 200 g 1.3 g Cm 50 g 5 g

Conclusion - 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-Plutonium La 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 - 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