LE CYCLE DU COMBUSTIBLE NUCLEAIRE

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1 JIREC AMBLETEUSE, le 15 mai 2008 LE CYCLE DU COMBUSTIBLE NUCLEAIRE Bernard BOULLIS CEA

2 CEA : LES GRANDS CHAMPS DE RECHERCHE RECHERCHE FONDAMENTALE DEFENSE SECURITE ENERGIE NOUVELLES TECHNOLOGIES Santé/ Information

3 3 10 Gtep pour 6 milliards habitants (from NASA)

4 Source IEA : Energy to Scenarios for a Sustainable Future Un scénario pour le futur World Primary Energy Sources (Gtoe) Other Renewable Biomass Nuclear Gas Oil Coal Population Quelles voies pour les prochaines décennies? -économiser -diversifier (renouvelable, nucléaire?) ,5 8 7,5 7 6,5 World Population (Billions)

5 L énergie nucléaire en % de l énergie primaire dans le MONDE 17 % de la production électrique dans le MONDE (430 réacteurs, 2500 TWh/an) 30 % de la production électrique en EUROPE (142 réacteurs) - 80 % en France ( 60 réacteurs) - 58 % en Belgique ( 7 réacteurs) - 58 % en Suisse ( 5 réacteurs) - 30 % en Allemagne ( 18 réacteurs) - 28 % en Espagne ( 9 réacteurs) - en Suède ( 11 réacteurs) - 0 % en Italie Danemark Autriche

6 Quelques repères historiques 1938 : HAHN met en évidence le phénomène de fission 1939 : JOLIOT dépose un brevet pour un «dispositif de production d énergie»

7 Quelques repères historiques 1938 : HAHN met en évidence le phénomène de fission 1939 : JOLIOT dépose un brevet pour un «dispositif de production d énergie» 1942 : la «pile de FERMI»

8 Le premier réacteur nucléaire Le premier réacteur nucléaire était naturel: Oklo, il y a 2 milliards d années, et pendant plusieurs centaines de milliers d années.

9 Quelques repères historiques 1938 : HAHN met en évidence le phénomène de fission 1939 : JOLIOT dépose un brevet pour un «dispositif de production d énergie» 1942 : la «pile de FERMI» : ZOE (fort de Chatillon) : G1 à MARCOULE 1977 : CHOOZ (REP) Fossile Nucléaire Hydro : CIVAUX-2 (58 ème REP)

10 Quelques repères historiques 1938 : HAHN met en évidence le phénomène de fission 1939 : JOLIOT dépose un brevet pour un «dispositif de production d énergie» 1942 : la «pile de FERMI» 1948 : ZOE (fort de Chatillon) 1945 : HIROSHIMA et NAGASAKI 1956 : G1 à MARCOULE 1970 : CHOOZ (REP) 1999 : CIVAUX-2 (58 ème REP)

11 Quelques repères historiques 1938 : HAHN met en évidence le phénomène de fission 1939 : JOLIOT dépose un brevet pour un «dispositif de production d énergie» 1942 : la «pile de FERMI» 1948 : ZOE (fort de Chatillon) 1945 : HIROSHIMA et NAGASAKI 1956 : G1 à MARCOULE 1970 : CHOOZ (REP) 1986 : TCHERNOBYL 1999 : CIVAUX-2 (58 ème REP)

12 L ENERGIE NUCLEAIRE ATOUTS : - densité énergétique - pas de CO 2 - coût stable - ressources : millénaires avec concepts avancés? MAIS : des matières dangereuses - sûreté des réacteurs - risque de prolifération - les déchets nucléaires

13 ENERGIE NUCLEAIRE : LE CAS FRANCAIS Source: EDF MWe Extension durée de vie GEN IV GEN II Parc actuel GEN III (EPR)

14 Sections efficaces de fission et de capture de l 235U

15 Sections efficaces de l 238 U (fission et capture)

16 LE COMBUSTIBLE DES REACTEURS A EAU des pastilles d oxyde d uranium enrichi en 235 U (dans une gaine métallique) et de l eau: -pour ralentir les neutrons (modérateur) -pour extraire l énergie libérée (caloporteur)

17 Schéma de principe d un réacteur nucléaire

18 Le cycle du combustible du nucléaire REACTEUR Combustible usé Fabrication du du combustible Enrichissement de de l'uranium Activités minières et et raffinage

19 LE MINERAI D URANIUM Minerais: 0.5 à 10 kg U/ tonne 235 U : 0.7 % 238 U : 99.3 % Moyenne écorce terrestre :quelques grammes U/ tonne Eau de mer: qqs mg U / tonne eau

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21 «L AMONT» DU CYCLE REACTEUR Fabrication Enrichissement de de l'uranium l Uranium UF U= 0.7% Mines et et raffinage yellowcake

22 «L AMONT» DU CYCLE REACTEUR Fabrication Enrichissement de de de de l Uranium l'uranium UF U= 0.7% Mines et et raffinage yellowcake

23 «L AMONT» DU CYCLE REACTEUR Fabrication 235 U= 4% Enrichissement de de de de l Uranium l'uranium UF U= 0.7% Mines et et raffina ge ge yellowcake

24 L ENRICHISSEMENT DE L URANIUM 1 Kg d U enrichi 8 Kg d U naturel (0.71%) 5 UTS ( 3.5% ) EURODIF: 7 Kg d U appauvri ( 0.25% ) 10,8 millions UTS / an (100 réacteurs.an) 1400 étages ( barrières poreuses ) 3000 MW (2400 kwh par UTS)

25 L ENRICHISSEMENT 10,8 millions UTS / an (production pour recharges de 100 réacteurs à eau 1400 étages ( barrières en tubes de céramique (pores 0,01 µ)) 3000 MW (2400 kwh par UTS)

26 «L AMONT» DU CYCLE UO 2 REACTEUR Fabrication 235 U= 4% Enrichissement de de de de l uranium l'uranium UF U= 0.7% Mines et et raffinage yellowcake

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28 RESSOURCES UTILISEES ET RESSOURCES CONNUES 2005: production mondiale tonnes consommation tonnes

29 Le cycle du combustible du nucléaire REACTEUR Combustible usé ( 1000t/an ) Fabrication du du combustible Enrichissement de de l'uranium Activités minières et et raffinage

30 Les résidus de la «combustion» nucléaire présentent des caractéristiques très différenciées 1 H 2 He 3 Li 4 Be 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F 10 Ne 11 Na 12 Mg 13 Al 14 Si 15 P 16 S 17 Cl 18 A 19 K 20 Ca 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn 26 Fe 27 Co 28 Ni 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 35 Br 36 Kr 37 Rb 38 Sr 39 Y 40 Zr 41 Nb 42 Mo 43 Tc 44 Ru 45 Rh 46 Pd 47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te 53 I 54 Xe 55 Cs 56 Ba Ln 72 Hf 73 Ta 74 W 75 Re 76 Os 77 Ir 78 Pt 79 Au 80 Hg 81 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 87 Fr 88 Ra An 104 Rf 105 Db 106 Sg 107 Bh 108 Hs 109 Mt 110 Uun LANTHANIDES 57 La 58 Ce 59 Pr 60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 Dy 67 Ho 68 Er 69 Tm 70 Yb 71 Lu ACTINIDES 89 Ac 90 Th 91 Pa 92 U 93 Np 94 Pu 95 Am 96 Cm 97 Bk 98 Cf 99 Es 100 Fm 101 Md 102 No 103 Lr NOYAUX LOURDS PRODUITS D ACTIVATION PRODUITS DE FISSION PRODUITS DE FISSION ET D ACTIVATION

31 LE COMBUSTIBLE USE Uranium (95%) produits de fission(4%) plutonium (1%). actinides mineurs(0.1%) Composition moyenne

32 LA GESTION EN AVAL : QUELLES OPTIONS? - ENTREPOSAGE - STOCKAGE DIRECT YUCCA MOUNTAIN, NEVADA - RECYCLAGE MOX fuel

33 LE COMBUSTIBLE USE 235U=0.9% Uranium (95%) produits de fission(4%) plutonium (1%). actinides mineurs(0.1%) Composition moyenne

34 LE COMBUSTIBLE USE 235U=0.9% Uranium (95%) produits de fission(4%) plutonium (1%). actinides mineurs(0.1%) Composition moyenne isotopes fissiles = 75%

35 LA STRATEGIE DE RECYCLAGE (UOX) REACTEURS Fabrication du combustible RETRAITEMENT Enrichissement de l uranium Pu U autres Mines et raffinage

36 LA STRATEGIE DE RECYCLAGE (UOX) REACTEURS Fabrication du combustible RETRAITEMENT Enrichissement de l uranium Uranium Mines et raffinage

37 LA STRATEGIE DE RECYCLAGE (UOX) (MOX) REACTEURS Fabrication du combustible Plutonium RETRAITEMENT Enrichissement de l uranium Mines et raffinage Uranium

38 LA STRATEGIE DE RECYCLAGE (UOX) (MOX) REACTEURS Fabrication du combustible Enrichissement de l uranium Mines et raffinage Plutonium Uranium RETRAITEMENT Déchets (PF et AM

39 Les déchets radioactifs : quels dangers? E C R A N

40 Les déchets radioactifs : quels dangers? E C R A N

41 Problématique du stockage des déchets DECHET

42 Contributeurs à la radiotoxicité du combustible usé Inventaire Radiotoxique (Sv/TWhe) Total Combustible Pu Actinides mineurs Produits de fission Temps (années) (DPUI par ingestion, CIPR72)

43 Le combustible nucléaire usé Uranium Plutonium. produits de fission plutonium actinides mineurs actinides mineurs produits de fission Composition moyenne Radiotoxicité après ans

44 Pourquoi retraiter? URANIUM PLUTONIUM Combustible usé Procédés de traitement 1. Pour réduire le déchet ultime DECHET 2. Pour le confiner durablement 3. Pour recycler les matières valorisables

45 LE PROCEDE PUREX Combustible HNO 3 TBP U Pu DISSOLUTION U, Pu, PFs solution EXTRACTION Produits de fission

46 LES USINES DE LA HAGUE 4 km

47 LE TRANSFERT DES COMBUSTIBLES USES

48 LES PISCINES D ENTREPOSAGE

49 LE COMBUSTIBLE MOX 20 réacteurs du parc français sont partiellement chargés avec du combustible MOX Plusieurs tonnes de plutonium sont recyclées chaque année

50 La vitrification des déchets Conteneur de déchets vitrifiés

51 ANDRA : les choix de concepts pour les verres Alvéole de stockage : tunnels horizontaux, dans lesquels les colis sont placés horizontalement Colis de stockage : complément de colisage en acier non allié d épaisseur 55 mm, étanche à l eau pendant ~1000 ans

52 ALTERATION EN STOCKAGE GEOLOGIQUE radionucléides 5 cm Altération Collaboration CEA - CNRS Laboratoire d Archéologie Médiévale Méditerranéenne Verres basaltiques du Salagou 1 µm/50j à 50 C 1 µm/1000 ans à 25 C temps

53 Simulations de comportement à long terme Altération estimée par l eau 0,1 % 100 % 10 % ans 1 million d années 10 millions d années

54 LE STOCKAGE DES DECHETS ULTIMES

55 «LA VERITE» SUR LES RISQUES Sources : Baromètre IRSN 2006

56 POURQUOI? une information insuffisante? des sources discréditées? Un clivage culturel? La radioactivité, phénomène imperceptible? («Qu est-ce qu un déchet nucléaire?») Autres (éthique? )?

57 Le public et les sources d information Baromètre IRSN 2006 Le scientifique, reconnu compétent mais?

58 La loi du 30 décembre 1991 (suite) Relative aux recherches sur la gestion des déchets radioactifs à haute activité et à vie longue 3 AXES DE RECHERCHE : séparer et transmuter éléments à vie longue ; stockage dans couches géologiques profondes ; conditionnement et entreposage de longue durée. 15 années de recherches (évaluées annuellement), pour aboutir à un nouveau projet de loi en 2006

59 Les recherches sur le stockage des déchets (ANDRA) enjeu : la faisabilité du stockage géologique. le laboratoire souterrain de Bure; l ingénierie des architectures de stockage; l évaluation des performances du stockage géologique profond. Bure

60 Laboratoire de BURE

61 Des molécules extractantes, sélectives et résistantes pour séparer les éléments à vie longue Am

62 LA TRANSMUTATION la capture la fission des réactions de capture et/ou de fission pour donner naissance à de nouveaux éléments

63 Un exemple: la transmutation du TECHNETIUM 99 Tc capture 100 Tc β- ( ans) β- (15,8 s) 99 Ru stable 100 Ru stable

64 TRANSMUTATION : le cas des actinides 238 Np 238 Pu 239 Np β- 2,36j 239 Pu 240 Pu α 162,9j 241 Pu 241 Am 242 Pu β+ 16,02h 242 Am β- 16,02h 242 Cm 17,3% 82,7% 243 Pu β- 4,96h 243 Am 243 Cm 244 Am β- 10,1h 244 Cm

65 Expériences de transmutation dans Phénix APM PHENIX Atelier de retraitement en cours d assainissement

66 Transmutation : quels dispositifs? En réacteurs électrogènes En réacteurs dédiés Accélérateur Cœur sous critique

67 le 28 juin 2006 : une nouvelle loi votée retraitement et recyclage pour diminuer volume et toxicité des déchets évaluer perspectives transmutation, proto 2020 un stockage géologique (réversible) pour les déchets ultimes, à l horizon 2025

68 L ETUDE de PHILIPPE D IRIBARNE Le jugement du public s élabore pour une large part à l aune de critères autres que scientifiques ou techniques. («sagesse des nations», et pas obscurantisme) Un discours scientifique qui prend à revers les représentations ou les principes qui fondent l opinion du public est discrédité. «On ne peut prétendre adresser l éternité»

69 QUELLES ATTENTES? des solutions radicales (la transmutation) pour ramener le problème des déchets nucléaires à des horizons de temps jugés «accessibles à l humain». ou alors des solutions réversibles, permettant le jour venu de bénéficier de solutions aujourd hui non disponibles (ou même non entrevues?).

70 Systèmes nucléaires futurs :les défis 1/ ECONOMIE 2/ SURETE 3/ «DURABILITE» préservation des ressources naturelles minimisation de l impact des déchets ultimes résistance / risques de prolifération Le recyclage, élément-clé pour des options nucléaires durables!

71 Recycler dans des réacteurs à neutrons rapides? URANIUM ACTINIDES PF REACTEURS TRAITEMENT Réacteurs à neutrons rapides: (sans modérateur): -valorisent efficacement 238U (iso- voire surgénération) - réduisent actinides supérieurs à vie longue (privilégient fission vs. capture)

72 L INITIATIVE AMERICAINE GNEP

73 EN RESUME l énergie, des enjeux considérables! l énergie nucléaire: une contribution possible, avec ses atouts et ses détriments et un potentiel de progrès! des solutions durables : avec recyclage poussé (dans des réacteurs qui en tirent parti ) des défis pour les chercheurs!