Ruptures technologiques: le rôle du nucléaire (Idées 8 Février 2011)

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1 Ruptures technologiques: le rôle du nucléaire (Idées 8 Février 2011)
Jean-Paul Langlois

2 Grandes caractéristiques de l’énergie nucléaire
Energie très concentrée: (1 tonne d’Unat eq TEP à TEP) 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

3 Le calendrier des générations nucléaires
Systèmes du futur Réacteurs avancés Réacteurs actuels Premières réalisations 1950 1970 1990 2010 2030 2050 2070 2090 Generation I UNGG CHOOZ Generation II Generation III REP 900 REP 1300 N4 (1450) Generation IV EPR (1600)

4 Les grands programmes dans le monde
: Angleterre, USA, Canada, Allemagne, Suède : France, Japon : Chine, Corée, «URSS », Inde, Europe de l’Est Après 2020: Chine, Inde, Europe

5 Production d’électricité en France depuis 1950
100 200 300 400 500 TWh 1950 1960 1970 1980 1990 2000 575 TWh Hydraulique et Enr Nucleaire Fossiles 12% 77% 11% 600 2007 This slide gives the history of our electricity production sine 1950. France produces already 90% of its electricity without greenhouse gas emissions thanks to nuclear (77%) hydroelectricity (11%) and around 1% renewable. France is the 4th highest energy consumer in the 30 OECD countries but only ranked 27th for CO2 emissions (2003, IEA). We have a competitive electricity supply for companies and households, characterised by steady prices and a self-sufficient national electricity production allowing France to be the first electricity exporter in the world. Without nuclear : Our energy bill would amount to 62 billion € (instead of 46 bil. €) France would produce additional 150 million tons of CO2 /year. Source IEA

6 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)

7 Quel futur en France?

8 La 4ème génération : vers un nucléaire durable
De nouvelles exigences pour un nucléaire durable Des avancées : - Minimisation des déchets - Économie des ressources - Résistance à la prolifération Des progrès en continuité : - Compétitivité économique - Sûreté et fiabilité Des systèmes déployables à l’horizon 2040 France Canada Royaume Uni Chine Russie U.E. Des atouts pour de nouvelles applications Hydrogène, eau potable, chaleur Membres du Forum International Génération IV U.S.A. Suisse Brésil Japon Argentine Afrique du Sud Une R&D internationalisée Corée du Sud Source: CEA

9 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 Fabrication 2,2 t U enrichi 4,5 Assemblages Mines : 20 t U nat Enrichissement UTS 18 t U appauvri Stockage géologique Production d’électricité 1 TWhe Conditionnement HLW 3,9 m3 Pu = 29 kg – AM = 3.5 kg U = 2030 kg

10 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

11 Assumptions: Energy need and nuclear capacity (source CEA-Tésé)
IIASA A2 IIASA A3 IIASA B IIASA C2 GWe The IIASA (International Institute for Applied Systems Analysis), is an independent agency funded by 16 countries, which evaluates scenarios until 2100. First of all we need assumptions on the energy need and the nuclear capacity We have chosen IIASA scenarios because they are the only ones which go until 2100 (two thousand one hundred) and which give the energy mix and in the mid term they are quite representative of all the existing scenarios. The 4 scenarios we have chosen represent different trends: The A scenarios are strong global growth scenarios: Scenario A.2 (in blue) with a late introduction of nuclear energy in the second part of the century. Scenario A.3 (in red) is a variant with a more gradual introduction of nuclear energy than in scenario A2; Scenario B is a business as usual scenario Scenario C.2 corresponds to a globally reduced consumption and the reinforcement “of carbon-free energies. These scenarios are quite ambitious in terms of nuclear installed capacity since in 2050 it is from 2 to 5 times that of today and in 2100 between 6 and 17 times. 441 units in operation, 368 GWe, 2626 TWh/year 27 units under construction 35 countries using nuclear energy Nuclear power in GWe Ratio2050/ Ratio 2100/2000 IIASA A , IIASA A , IIASA B , IIASA C , ,5 Year

12 Nuclear power to be installed (source CEA-Tésé)
1 : IIASA A2 2 : IIASA A3 3 : IIASA B 4 : IIASA C2 GWe Replacement of the fleet Here we translate the energy need into new capacity that has to be installed every year to satisfy the increase of the demand, in addition to the replacement of the fleet, we obtain this graph. Around 2030, depending on the scenario, between 20 and 45 new GWe has to be installed every year, whatever the nuclear technology. Around 2050, about 80 new GWe have to be installed every year except for the strongly constrained scenario C2 which even needs about 25 new GWe per year. The step we can see around 2105 represents the replacement of the fleet installed 60 years before. Level stage = palier Slope=pente Net power to be installed every year

13 Ressources mondiales d’uranium (Livre rouge AEN 2010)
Ressources conventionnelles ou classiques (MtU) Identifiées Non découvertes Raisonnablement assurées Présumées Pronostiquées Spéculatives < 40 $/kg U 0,6 0,2 1,7 40-80 $/kg U 1,9 1,0 $/kg U 0,7 1,1 $/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 Ressources non classiques : Sous-produit d’importance secondaire (associé à des phosphates, des schistes noirs, etc…) 22 MtU ( > $/kgU) « Gisements » de faible teneur (eau de mer…) MtU (> 1000 $/kgU ?)

14 Les ressources en uranium
Répartition des ressources identifiées (< 130$/kgU)

15 Les ressources raisonnablement assurées en uranium

16 Installation de REP uniquement, sans recyclage (source CEA-Tésé)
IIASA A IIASA A3 IIASA B IIASA C2 Uranium consommé ← Uranium non conventionnel ← Uranium conventionnel => Les réacteurs à neutrons rapides apparaissent nécessaires au développement durable du nucléaire

17 IIASA B Scenario (source CEA-Tésé)
Consumed Uranium Consumed and engaged Uranium Mt Mt We also calculate the future uranium consumption for the already installed reactors for their remaining life time. It is called “engaged uranium”. For B scenario: The consumed and engaged uranium is far above the unconventional resources limit. The only case under the 38 Mt limit is when the fast reactors are strong breeders. In this case, in 2150, the uranium engaged is quite close to the consumed uranium showing that the EPR operating number is close to zero. Engaged Uranium: future uranium consumption for the already installed reactors for their remaining life time

18 Il a un potentiel énergétique important
Composition du combustible usé Le plutonium constitue la plus grande partie de la radiotoxicité de longue durée du combustible usé, Il a un potentiel énergétique important Radiotoxicité après ans Produits de fission Actinides mineurs Plutonium

19 Cycle fermé = recyclage
entreposage MOX Déchet vitrifié Colis CSD-V Combustible UOX usé Plutonium La Hague traitement UOX MOX UOX Uranium Enrichissement Produits de fission et Actinides mineurs Déchets vitrifiés Minerai Schéma du cycle du combustible mis en œuvre industriellement en France

20 Radiotoxicité des déchets en fonction du temps
10000 10000 Verres sans actinides mineurs (transmutation) 1000 1000 PF AM +PF Combustible usé ( Pu + AM + PF) Minerai uranium naturel Combustible usé (U + Pu + Actinides Mineurs + Produits de Fission) relative relative 100 100 Radiotoxicité Radiotoxicité 10 10 1 1 Verres actuels : Actinides Mineurs + Produits de Fission 0,1 0,1 10 10 100 100 1000 1000 10000 10000 100000 100000 Temps (années) Temps (années)

21 Le cycle du combustible pour la 4ème génération
50 fois plus d’électricité avec la même quantité d’uranium naturel Économie des ressources Minimisation des déchets Résistance à la prolifération (objectifs Gen IV) Plusieurs options d’ambition croissante que le prototype doit permettre d’évaluer au plan technico-économique : R T U PF U Pu AM AM U Pu PF AM Recyclage homogène Recyclage hétérogène Recyclage U Pu seuls Les procédés de cycle: intérêt d’une approche progressive…

22 Autres ruptures technologiques possibles
GEN IV en réacteurs rapides à gaz Cycle Thorium Réacteurs à fusion

23 Réacteurs à gaz Avantages: Inconvénients Histoire et projets
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

24 Cycle Thorium Avantage: Inconvénients: Histoire et projet:
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

25 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 Le premier est de générer une puissance de 500 MW en n’en consommant que 50, durant 400 s (6 min 40 s). Le record mondial est, à ce jour, de 16 MW générés pour une puissance fournie de 25 MW, durant 1 s, réalisé par le tokamak européen JET. Le second objectif vise à maintenir les réactions de fusion dans le plasma pendant au moins 1 000 s (16 min 40 s). Dans ce cas, pour 50 MW fournis, seuls 250 MW seraient produits. Le record mondial de durée est, à ce jour, de 6 min et 30 s, réalisé par le tokamak français Tore Supra en 2003.

26 Autres types de rupture
Nucléaire non uniquement électrogène: Chaleur Production d’hydrogène Production de biocarburants Petites centrales embarquées (barge Rosatom, projet Flexblue de DCNS)

27 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

28 Merci de votre attention….

29 World Energy demand increases
During last Century the world consumption has increased of a factor 16 5 10 15 20 25 30 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 World Primary Energy Sources ( Gtoe ) 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 World Population (Billions) Other Renewables Biomass Nuclear Gas Oil Coal Population 1st of all, the world energy context is characterised by a large increase of the demand of energy. During the last century, the world consumption has increased of a factor 16. This graph shows on Y axes in Gtoe the world primary consumption and demand till 2050, with the different contributors to the energy production and in red the comparison with the world population probable increase. According to the main forecasts, the energy demand will probably double from 12 today to 24 Gtoe by 2050, even with strong efforts to improve energy efficiency. Today, 2 billion people don’t have access to electricity. The energy security is becoming a major concern for developed and developing countries, considering the growing scarcity of fossil resources, and their confined localizations. In the same time, it has become obvious that the main environmental issue for the coming century is to limit the climate change and, in this respect, to promote low-carbon energy solutions. Today, nearly 2 billion people without electricity Source IEA : Energy to 2050

30 Vision BP décembre 2011

31 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 , ils sont centrés sur l’enjeu « ressources / compétitivité ».  Disposer d’un produit compétitif pour le marché futur

32 Cahier des charges du prototype INDUSTRIEL RNR-Na
Faisabilité technique est acquise Enjeux Filière : Sûreté (meilleure que Gen III pour l'ASN) ; Exploitabilité (demande forte d'EDF suite au REX RNR-Na) ; Compétitivité Les réponses à ces enjeux, et en particulier la sûreté ne peuvent être démontrés que dans un prototype électrogène de puissance 300 – 600 MWé Économie des ressources : Isogénération 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

33 Les prototypes et installations associées
ASTRID En référence le proto RNR sodium : MW thermiques 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. ( kg/an), La Hague Une filière alternative et avancée : RNR gaz ALLEGRO , 50 – 70 MW thermiques, en Europe ALLEGRO