L'énergie nucléaire. est-elle efficace?

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1 L'énergie nucléaire est-elle efficace? Frédéric Legée - Gilles Mathonnière Anne Baschwitz - Sophie Gabriel DEN/DANS/I-tésé 1

2 Plan de l'exposé L'efficacité économique actuelle L'efficacité énergétique et l'utilisation des ressources La transition vers l efficacité énergétique Conclusions 2

3 L'énergie nucléaire est compétitive aujourd'hui Median Line USD/MWh Nuclear Coal Coal Gas Wind w/cc(s) Onshore Nuclear Coal Coal Gas Wind w/cc(s) Onshore Nuclear Coal Coal Gas Wind w/cc(s) Onshore N. America Europe Asia Pacific CAN, MEX, USA, US EPRI AUT, BEL, CHE, CZE, DEU, Eurelectric/VGB, ESAA, JPN, KOR FRA, HUN, ITA, NLD, SVK, SWE Rapport 2010 Projected Costs of Generating Electricity, de l'ocde/aen et de l'agence Internationale de l'energie 3

4 Décomposition du coût de production (REL) Taux d actualisation à 8% décroissant à 3% après 30 ans 4

5 La situation actuelle de l'énergie nucléaire Grande efficacité économique : compétitivité Fonctionnement en base ou semi-base Forte intensité capitalistique Faible sensibilité au coût de l'uranium Nécessité de respecter des durées de construction faibles Faible efficacité quant à l'utilisation des ressources Utilisation de 0,5 à 1% de l'uranium naturel Le prix bas de l'uranium diminuait encore son importance dans l'optimisation du coût du kwh Prix spot UxC (US$/lb U3O8) 5

6 L'énergie nucléaire peut-elle être une énergie d'avenir avec son efficacité énergétique actuelle? Les ressources en uranium naturel La demande Les avancées technologiques en matière d'efficacité énergétique 6

7 Les ressources mondiales en uranium Les ressources sont décrites dans le «livre rouge» de l OCDE/AEN et de l AIEA (édition 2008) Ressources conventionnelles ou classiques (MtU) Ressources identifiées Ressources non découvertes USD/kg U (USD/lbU3O8) Raisonnablement assurées Présumées Pronostiquées Spéculatives < 40 (15) (15-30) 1,8 0,8 1,2 0,6 1,9 4, (30-50) 0,7 0,3 0,8 > 130 (>50) 3,0 Sous Total 3,34 2,13 2,8 7,8 TOTAL 5,5 10,5 Aux ressources conventionnelles s'ajoutent de l ordre de 22 millions de tonnes extractibles des phosphates. 7

8 Production minière d uranium et demande pour la production électrique, tu * 2007 values are estimates. World Requirements World Production Source Livre rouge

9 Prix spot moyen annuel de l'uranium Dépenses d'exploration et de développement des mines ( ) 9

10 Capacité théorique de production d'uranium d'ici à 2030 Capacité théorique annuelle mondiale de production d'uranium projetée jusqu'en 2030 par rapport aux besoins prévus des réacteurs du monde entier 10

11 Besoins futurs liés à la renaissance du nucléaire Capacité nucléaire installée selon l IIASA IIASA A2 IIASA A3 IIASA B IIASA C GWe Years Années 16:47 lun 10 sep

12 Comparaison offre-demande d Uranium: le détail via les calculs de l I-tésé IIASA A2 IIASA A3 IIASA B IIASA C2 Uranium consommé Uranium consommé et engagé Mt Mt Uranium conventionnel Uranium non conventionnel Scénarios avec des REL actuels pour répondre à la demande en électricité nucléaire 12

13 Efficacité énergétique : un saut technologique nécessaire Systèmes de 4 ème génération avec un objectif de durabilité : RNR iso ou surgénérateur Efficacité d utilisation de l Uranium naturel accrue d'un facteur 50 à 100 par rapport aux REL actuels Plus de besoin en uranium naturel : les stocks accumulés d'uranium appauvri (près de t en France et 1,5 Mt dans le monde assurent un fonctionnement de plusieurs millénaires) Pour démarrer un RNR, il est nécessaire de disposer d'un inventaire Pu initial (qui se renouvelle) 13

14 Des scénarios de capacité installée en RNR compte tenu de la disponibilité du Pu 10 TWe 8 6 A2 contraint A3 contraint B contraint C2 contraint A2 pas contraint A3 pas contraint B pas contraint C2 pas contraint

15 Efficacité énergétique : axes de R&D Au niveau mondial, la renaissance du nucléaire et sa contribution au mix énergétique du futur n'est pas possible avec les REL actuels. Il faut augmenter l'efficacité énergétique (diminuer la consommation en uranium naturel pour une même quantité d'énergie fournie) Il faut travailler en parallèle sur deux axes complémentaires de R&D : les aspects évolutionnaires : continuer à améliorer les REL et en particulier leur efficacité énergétique la rupture technologique : mettre au point des réacteurs assurant la durabilité du nucléaire sur des millénaires 15

16 Comment réduire la consommation d'uranium des REL? L'amont du cycle Diminuer les pertes à l'enrichissement (passer de 0.25% à 0.1% de taux de rejet économise 20% d'unat, mais augmente de 50% les UTS) Exploiter les matières fissiles non utilisées Réenrichir l'u appauvri 16

17 Comment réduire la consommation d'uranium des REL? Aval du cycle Recycler les matières fissiles URT (environ 10% d'économie d'unat) Pu (environ 10% d'économie d'unat) (environ 25% au total) Retraiter les combustibles UOx usés pour lesquels le retraitement n'est pas prévu (et augmenter les capacités mondiales de traitement) Uranium et conversion 8000 t/an Enrichissement 5,5 MUTS/an Fabrication combustible UO t/an ou 2000 assemblages/an constante de temps: 20 ans 430 TWh /an Recyclage : 100 tonnes/an de Centrales EDF MOX dont 20 tranches MOXées Dans 20 tranches 900 CPY 8,5 t / an de plutonium Retraitement : séparé (1%) 850 tonnes / adéquation des an flux 1200 tonnes /an de combustible usé (UOX et MOX) Transport vers La Hague, réception, entreposage sous eau 1200 tonnes/an MELOX Uranium de retraitement URT - ~ 810 t / an 1/3 réenrichi et recyclé «en ligne» 2 tranches 900 ou 40 t/an) La Hague déchets conditionnés entreposage 103 m 3 / an HAVL vitrifiés 122 m 3 /an MAVL compactés 17

18 Comment réduire la consommation d'uranium des REL? Réacteurs (1) Mieux utiliser le combustible en réacteur Masse d'uranium consommée (t/gwe*an) = f (T, n, L, e) T : taux de combustion de déchargement (GWj/t) n : fractionnement du cœur L : Longueur de cycle (jepp) e : enrichissement initial Augmenter T seul n'a pas d'impact : à n donné, on augmente L et le facteur de disponibilité du réacteur Augmenter n seul économise de l'unat, mais on diminue L Augmenter à la fois T et n permet de gagner sur la consommation d'unat sans diminuer la longueur de cycle Ordre de grandeur du gain en Unat : 10 à 15% pour un passage d'une gestion par 1/3 à une gestion par 1/5 18

19 Comment réduire la consommation d'uranium des REL? Réacteurs (2) Mieux utiliser le combustible en réacteur (suite) Augmenter le rendement thermo-électrique (1% de rendement correspond à un gain de 3% sur l'unat) Diminuer les fuites (baffle lourd permet de gagner environ 5% sur l'unat) et les captures parasites Améliorer les capacités des REL Accroître le facteur de conversion (REL HFC) Cycle thorium (+ usines du cycle associées) 19

20 Le thorium? Th est un isotope FERTILE qui génère un isotope fissile : U 233 Th n Th 233 (22 min) Pa 233 (27 j) U 233 ( a) comparable à : U n U 239 ( 23,5 min) Np 239 (2,3 j) Pu 239 ( a) U 233 U 235 Pu 239 Eta : spectre neutrons lents Eta : spectre neutrons rapides Le cycle ouvert est exclu, restent deux utilisations envisageables : Surgénération thermique théoriquement possible avec des cycles Th/U233. REB? REL HFC en utilisant les performances supérieures de U233 R&D de long terme. Il est nécessaire de mettre au point un cycle industriel avec traitement-fabrication de combustible Th/U233 Pas avant 50 ans si une stratégie de ce type est validée par la R&D et l'économie. 20

21 REL HFC? Facteur de conversion FC : Quantité de matière fissile produite/quantité de matière fissile consommée Pour les REP actuels FC = 0.6 Améliorations possibles Limiter les captures stériles (moins d'eau, eau lourde, gaines Zr au lieu d'acier, ) Limiter les fuites (baffle lourd, cœur plus gros) Durcissement du spectre RSM ou RCVS Gains envisageables FC = 0.8 gain d'unat de 40 % FC = 0.95 gain d'unat de 60 % FC > 1. surgénérateur Plus de besoin d'unat (Uapp + Pu initial) RSF ou FLWR Faisabilité? R&D à mener Besoins en plutonium sont en compétition avec ceux des RNR Parc probable REP + REL HFC + RNR pour mener la transition vers un parc uniquement RNR 21

22 Plan de l'exposé Energie nucléaire L'efficacité économique actuelle L'efficacité énergétique et l'utilisation des ressources La transition vers l efficacité énergétique Conclusions DEN/DANS/I-tésé 22

23 REL et RNR : une symbiose nécessaire 8000 GWe : Puissance installée en RNR 2:Puissance totale installée 2 2 REL Réacteurs à Eau Légère RNR Réacteurs à Neutrons Rapides Raréfaction des ressources en Uranium : De nouveaux concepts de REL, plus sobres en uranium pour assurer une transition optimale vers un cycle Pu Rareté de Plutonium : Des REL resteront nécessaires aux côtés des Réacteurs à Neutrons Rapides (RNR) 23

24 Disponibilité du plutonium et utilisation maximale de l uranium Deux objectifs à concilier Plutonium Des stratégies de gestion des combustibles à optimiser Uranium Une gestion d un parc REL à 33 GWj/t permet d installer 11% de RNR de plus qu avec 60 GWj/tonne Une gestion d un parc REL à 45 GWj/t permet de consommer 8 à 9% d uranium en moins, par rapport à 60 GWj/tonne Le chemin le plus rapide vers la sobriété énergétique n est pas le plus économe en uranium 24

25 La transition vers les systèmes futurs L efficacité c est d abord l efficacité vis-à-vis de la ressource Ultimate Waste Disposal Mines URT Unat Chemistry Pu Recycling : MOX Fuel fabrication Enrichment Uapp Fuel Fabric. Spent Fuel Reprocessing Reactors & Services mais aussi vis-à-vis de la gestion des déchets radioactifs 25

26 Déchets radioactifs Des progrès significatifs déjà obtenus par le passé Volume de déchets m 3 /thm U 4 3 Diminution de la radiotoxicité Plutonium Bitume Ciment Verre Ciments coques Compactage 1989 (Design) Combustible usé Actinides mineurs Produits de fission Radiotoxicité après ans 26

27 En France, le CEA traduit en scénarios les options possibles pour de futurs systèmes nucléaires (loi de 2006) Actinides Mineurs en cible (mode hétérogène) Actinides Mineurs dans le combustible (mode homogène) Pas de transmutation des Actinides Mineurs Transmutation en ADS cible en couverture RNR séparation Cs-Sr Pas de séparation Cs-Sr Na Na Na Na F4 F15 F21 F Na Na Na Na F1 F12 F18 F9 Vert : scenario étudié Rouge : scenario envisagé Na+ADS F7 Na+ADS F Na F Na F Na F20 Na : Rapide Sodium G Rapide Gaz : Na G : Sodium puis Gaz AM : Actinides Mineurs 2040 : déploiement 60 GWe Na F2 G F5 Na G F6 Na F13 G F16 Na G F17 Na F19 G F22 Na G F23 Na F10 G F : déploiement 127 GWe 2050 : déploiement 127 GWe 2080 : déploiement 60 GWe des scénarios guidés par l efficacité de gestion des déchets 27

28 10000 Pour le futur : un traitement des déchets plus ou moins efficace selon les options 1000 Radiotoxicité relative Combustible usé ( Pu + AM + PF) 1 Minerai uranium naturel PF AM +PF 0, Temps (années) Toxicité long terme Extraction Pu+ actinides mineurs 0,0001% Extraction Pu 5% Cycle ouvert 100% Volumes < 10% 25% 100% 28

29 Des installations de stockage des déchets potentiellement plus réduites Volumes à excaver réduits d un facteur > 2 2 à 3 km Avec un impact économique à quantifier 29

30 Systèmes nucléaires du futur l efficacité économique Une économie de l énergie nucléaire qui évoluera Conversion, Conversion, transport, stockage transport, 4 % stockage 4 % transport, transport, stockage stockage 9% 9% Retraitement Retraitement 16 % 16 % Fabrication Fabrication 11% 11% Uranium Uranium Naturel Naturel 40 % 40 % Retraitement Retraitement 37% 37% Fabrication Fabrication 54% 54% Enrichissement; Enrichissement; 29 % 29 % Coût du combustible (type EPR) Coût du combustible (type RNR) Une compétitivité fondée sur de nouveaux paramètres un avenir incertain un besoin de flexibilité 30

31 Usine 1 30 tonnes/an La flexibilité des options Exemple de la transmutation des Actinides Mineurs Concilier efficacité énergétique et gestion efficace des déchets Fabrication du combustible Am Energie+transmutation en réacteur de 4 ème génération (RNR) Retraitement Atelier 4 30 tonnes/an + + Usine tonnes/an Pu Atelier tonnes/an Ou? Ou? Usine tonnes/an Pu+Am Un découplage possible des objectifs facteur de flexibilité mais aussi de complexité Atelier tonnes/an 31

32 L apport de la R&D à la flexibilité La R&D : un facteur de flexibilité. Une quantification possible par des outils comme les options réelles Chaque option fait l objet d une quantification économique on introduit le fait que les conditions favorables à l option peuvent ne pas être atteintes La R&D, une «assurance» pour l efficacité du système on évalue à partir de quels niveaux de probabilité favorable l option de R&D a une valeur positive 32

33 Conclusions (1/2) Actuellement le nucléaire est compétitif, malgré une faible efficacité énergétique A l horizon 2100, décupler le parc électronucléaire mondial nécessite des progrès considérables en matière d efficacité A long terme, les RNR qui permettent de multiplier par 50 à 100 l utilisation de l uranium sont la solution de référence La disponibilité limitée du plutonium conduit à une phase transitoire avec coexistence de REL et RNR. 33

34 Conclusions (2/2) Les REL devront permettre de soutenir cette transition grâce à une efficacité largement accrue (quelques dizaines de %) La transition ne sera pas uniquement guidée par la meilleure efficacité énergétique (acceptation du public, gestion des déchets et bien sûr l économie). Les nombreuses incertitudes (coût de l uranium, coût des RNR par rapport aux REL..) imposent une approche flexible dans la gestion de la phase transitoire La R&D, un facteur de flexibilité 34

35 Merci pour votre attention 35