4P064 Introduction à l'energie Nucléaire Laurent Le Guillou & Delphine Hardin UPMC LPNHE

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1 4P064 Introduction à l'energie Nucléaire L'énergie au XXIe siècle : perspectives Laurent Le Guillou & Delphine Hardin UPMC LPNHE

2 Plan Energies fossiles : charbon, pétrole, gaz Filière électro-nucléaire : perspectives Fusion thermonucléaire : principes Fusion : JET, ITER, DEMO, etc. Energies alternatives (quelques mots)

3 Production énergétique mondiale Puissance totale : 15 TW Nucléaire : 370 GWe Production : J

4 Consommation mondiale

5 Energie primaire consommée Consommation annuelle individuelle (kwh, France, 1999) kwh / an (tous usages confondus)

6 Equivalent en «puissance humaine» : Combien d' «esclaves» possédez-vous? Puissance mécanique humaine (esclave travaillant physiquement 10h / jour) : (rendement 1 % à 10 %) énergie consommée : ~ 5kWh / jour énergie mécanique produite : kwh / jour (jambes ~ 0.5 kwh ; bras ~ 0.1 kwh) 1 litre d'essence (env. 1,50 ) : 35MJ ~ 10 kwh (thermique) rendement moteur thermique : ~ 30 40% Énergie mécanique produite : ~ 3 4 kwh (mécanique) 1 L d'essence ~ travail de 40 paires de bras pendant 10h... 1 jour-esclave à (source : Jancovici)

7 1 L d'essence = 40 esclaves (bras) pendant 10h Chacun de nous dispose de 80 à 120 esclaves virtuels

8 Vos «esclaves» énergétiques ~ «esclaves»

9 Plan Energies fossiles : charbon, pétrole, gaz Filière électro-nucléaire : perspectives Fusion thermonucléaire : principes Fusion : JET, ITER, DEMO, etc. Energies alternatives (quelques mots)

10 Production énergétique mondiale Origine de l'énergie consommée 85 % fossiles Puissance totale : 15 TW Nucléaire : 370 GWe Production : J

11 Energies fossiles Sources prédominantes : charbon, pétrole, gaz Moteur de l'industrialisation (occidentale puis mondiale) Sources vitales pour les transports (terrestres, maritimes, aériens) Pétrole : énergie «liquide», compacte, transportable, stockable... Ressources finies! Estimation controversée des ressources Enjeux politiques et stratégiques forts Climat et émissions de CO2

12 Consommation depuis 1860

13 L'importance du pétrole Contient énormément d'énergie (42 MJ / kg) Liquide, facile à transporter et à stocker Industrie / Agriculture / Transports / etc... Energie principale pour les transports (automobiles/camion, bateaux, avions...) Importance stratégique (armement moderne) Contrôler l'approvisionnement est critique (source de conflits)

14 Origines des gisements fossiles

15 Formation des hydrocarbures

16 Principaux gisements : pétrole

17 Principaux producteurs : l'opep

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19 Pétrole : dérivés

20 Pétrole : flot (US, 2005)

21 Pétrole : usages (France, tep)

22 Pétrole : état des ressources Production concentrée sur de grands gisements : «géants» : Ghawar (Arabie Saoudite), Cantarell (Mexique), Burgan (Koweit), Daqing (Chine), etc... ~85 millions de barils / jour 30 Gb / an La plupart des «géants» sont en déclin Ratio production / réserves (R/P) trompeur Pas de découvertes majeures depuis des décennies Planète explorée de façon quasi exhaustive : marge réduite : offshore, poles...

23 Production aux Etats-Unis

24 Ghawar : le roi des géants 5 Mb / jour 6% production mondiale 70 Gb récupérable? Peu d'information. Partiellement sous injection d'eau de mer.

25 Cantarell

26 Région : mer du Nord

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29 Futur des E. fossiles : controverses Débat économistes / géologues Enjeux économiques et sociétaux majeurs Les prédictions sont elles mêmes un enjeu Les données existantes (réserves, production) ne sont pas fiables L'ensemble du monde industriel en dépend... La prédiction est un art difficile, en particulier en ce qui concerne le futur...

30 Inflation des réserves OPEP (~1986)

31 Inflation des réserves

32 Pétrole : les optimistes (IEA,...)

33 Et moins optimistes (géologues...)

34 L'inquiétude grandit Inquiétudes exprimées de plus en plus ouvertement : parlements (Allemagne), politiques, géologues, insiders... Prédictions IEA ajustées sur la demande! Réserves surestimées (1/3 inexistant) surtout au moyen-orient. «pic de demande» (IEA) La production n'a pas augmenté malgré l'augmentation spectaculaire du prix du baril : contraintes géologiques?

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38 Pétroles non conventionnels Sables bitumeux (Canada) : réserves immenses, mais : Extraction et traitements extrêment dévastateurs (forêts, eaux) Traitement utilisant du gaz naturel. EROEI faible Pétroles lourds / extra-lourds (Venezuela, ) Biocarburants : ethanol, biodiesel, etc. EROEI douteux, probablement < 1 pour la plupart des filières (Pimentel) : maïs, etc. Choix politiques (soutien aux filières agricoles)

39 Gaz, charbon Gaz ressources +/- corrélées avec le pétrole continental (transport par gazoducs) + navires producteurs : Russie, moyen-orient, etc. Charbon réserves plus importantes (mais tout aussi controversées) Producteurs : USA, Russie, Chine, Australie, Gros émetteur de CO2 et polluants (oxydes d'azote, sulfures, mercure...)

40 E. fossiles : enjeux stratégiques 2/3 des réserves de pétrole au moyen-orient Contrôle des réserves : compagnies / états Transport : couloirs stratégiques : détroits : Hormuz, Malaga, Panama, Gibraltar... Le déclin des ressources exacerbe les conflits : Arabie Saoudite, Koweit, Irak, Iran, Pakistan, Emirats, Afghanistan, Soudan, Nigéria, Vénézuela, Libye, etc...

41 Enjeux stratégiques majeurs

42 Enjeux stratégiques

43 Gisements en Libye 80% exporté vers l'europe

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47 Plan Energies fossiles : charbon, pétrole, gaz Filière électro-nucléaire : perspectives Fusion thermonucléaire : principes Fusion : JET, ITER, DEMO, etc. Energies alternatives (quelques mots)

48 L'énergie nucléaire Perspectives? «Renaissance»?

49 Filière nucléaire : perspectives Limitations combustible Uranium Déficit actuel compensé par les stocks civils et militaires Réacteurs à neutrons rapides Surgénération 238U/239Pu : revival? Réacteurs à haute température (HTR, VHTR) Filière Uranium-Thorium 232Th/233U Accélérateur / Réacteur couplés Fusion thermonucléaire contrôlée

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53 Surgénération 238U / 239Pu

54 Filière 232Th / 233U 232Th 233U + n 233Pa 233U fissile neutrons lents ou rapides produit davantage de neutrons 232Th fertile abondant sur Terre (3 x 238U) Produits de fission : moins d'actinides (en part. Pu) Surgénération possible même avec neutrons lents Difficulté : initier le cycle : démarrage au 239Pu

55 Accélérateurs / réacteurs sous-critiques Source de neutrons : accélérateur de protons vers une cible : spallation. Réaction en chaîne sous-critique : matériaux fissiles et fertiles autour de la cible. Cycle uranium / thorium Possibilité de transmuter certains actinides : réduction des déchets les plus radioactifs En développement... (stade des concepts)

56 «Acceptabilité» du nucléaire?

57 Les accidents nucléaires

58 Accidents nucléaires majeurs Année Réacteur Type Rejets Décès immédiats Cancers induits(*) 1952 Chalk River (Canada) Exp. Faibles Windscale (UK) Prod. Pu Importants 0 ~ Idaho Falls (US) Militaire Faibles Fermi I (US) Exp. Faibles Lucens (Suisse) Exp. Faibles Browns Ferry 1 (US) Electricité Aucun Three Mile Island TMI-2 (US) Electricité Faibles Tchernobyl (URSS) Electricité Très Importants 31(*) ~ (**) 2011 Fukushima (Japon) Electricité Très Importants 0 (*) ~ 500 (**)

59 Three Mile Island (TMI-2) mars 1979 Réacteur à eau pressurisée 906 MWe (REP/PWR) Séquence de l'accident : Arrêt partiel du circuit secondaire (maintenance) Valves fermées / indicateurs erronés Ebullition dans le circuit secondaire Rejets radioactifs limités mais surestimés Panique (explosion H2 envisagée), évacuations Fusion du cœur / contenue dans l'enceinte Faibles rejets radioactifs à l'extérieur / pas de victimes

60 Three Mile Island mars 1979

61 Tchernobyl avril 1986, réacteur 3 Réacteur RBMK-1000 (graphite, eau) 1000 MWe Coef. de vide positif (l'eau est surtout absorbeur de n) Séquence de l'accident : Test à faible puissance / syst. pompage / gén. diesels Puissance trop basse : empoisonnement Xénon-135 Débit faible, vide positif, Xénon : absorbeurs retirés Ré-introduction absorbeurs : graphite à l'extrémité Réacteur supercritique rapide : excursion de puissance 2 explosions : dispersion du cœur / incendie graphite

62 RBMK

63 Tchernobyl avril 1986, réacteur 3

64 Tchernobyl (conséquences) 25 avril 1986 aujourd'hui Destruction du bâtiment et du réacteur n 3 Incendie (jusqu'au 6 mai) : très importants rejets radioactifs (133Xe, 135I, 137Cs, etc) Dispersion alentours et dans toute l'europe ; pluies Nombreuses victimes : ouvriers, pompiers, mineurs... Evacuation de la population (Prypiat, zone interdite) «Liquidateurs» : nettoyage de la zone Long terme : cancers, malformations, etc. Bilan humain controversé : habitants, liquidateurs, excès cancers...

65 Tchernobyl avril 1986

66 Dépôts de 137 Cs

67 Dépôts de 137Cs

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69 Fukushima Daïchi mars réacteurs à eau bouillante (REB/BWR) GE/TEPCO Accidents : réacteurs 1, 2, 3 et piscine réacteur 4 Tremblement de terre (M~9) suivi d'un tsunami (15 m) Digue, gén. diesel et batteries trop bas : inondés Evaporation / dissociation de l'eau du circuit primaire Réaction Zr + H2O H2 + O2 : explosions hydrogène Montée en T des 3 cœurs : fusion des cœurs Corium : cuves percées, corium échappé Importants rejets radioactifs aux alentours et en mer

70 Fukushima Daïchi mars 2011 : réacteurs 1, 2, 3 et 4

71 Fukushima Daïchi conséquences Refroidissement des réacteurs, coriums, piscines : arrosage continu, grandes quantités d'eau contaminée Piscine réacteur 4 : bâtiment fragilisé, risques Evacuation de la population ; contamination régionale Absence de transparence TEPCO / gouv. japonais Evaporation / dissociation de l'eau du circuit primaire Réaction Zr + H2O H2 + O2 : explosions hydrogène Montée en T des 3 cœurs : fusion des cœurs Corium : cuves percées, corium échappé Importants rejets radioactifs aux alentours et en mer

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73 Analyse détaillée par l'irsn de l'accident de Fukushima :

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75 Le nucléaire en débat EPR, Flamanville

76 Plan Energies fossiles : charbon, pétrole, gaz Filière électro-nucléaire : perspectives Fusion thermonucléaire : principes Fusion : JET, ITER, DEMO, etc. Energies alternatives (quelques mots)

77 La filière de la fusion nucléaire

78 Fusion : principe Fusion de noyaux légers pour donner des noyaux plus lourds donc davantage liés Réaction la + aisée à produire : 3H + 2H 4He + n Réaction produite dans la bombe H (initiée par l'explosion d'une bombe A : fission-fusion-fission) ~ 17 MeV / réaction.

79 ICI courbe énergie

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81 Fusion : difficultés Vaincre la barrière coulombienne (répulsion entre noyaux) Taux de fusion : f = n1 n2 <σ v>

82 Fusion : défis A ces températures : comment confiner le plasma? Confinement gravitationnel : étoiles Confinement magnétique : tokamaks Trouver le combustible : deuterium, tritium Obtenir Q > 1 (Critère de Lawson sur n * tau) NÏ Obtenir l'ignition : la chaleur dégagée entretient la réaction (uniquement Bombe H pour l'instant) Récupérer l'énergie dégagée (transportée par les neutrons produits)

83 Parenthèse : fusion dans les étoiles Réactions différentes selon le combustible (H, He, etc) et la température atteinte Certains noyaux servent de catalyseur : Carbone, etc. Cycle proton-proton fusion de l'hydrogène Cycle CNO Étoiles type Soleil Favorisé dans les étoiles massives Réaction triple alpha

84 Fusion proton-proton

85 Triple-alpha

86 Cycle Carbone-Azote-Oxygène «CNO»

87 Plan Energies fossiles : charbon, pétrole, gaz Filière électro-nucléaire : perspectives Fusion thermonucléaire : principes Fusion : JET, ITER, DEMO, etc. Energies alternatives (quelques mots)

88 Fusion : développements Fusion deutérium - tritium Voie la plus développée : Tokamaks Confiner le plasma sans qu'il n'entre en contact avec l'enveloppe : champs magnétiques toroïdaux Développements : Prototypes années ToreSupra (France) JET (UK) : Q ~ 0.65

89 Joint European Torus (JET)

90

91 Temps de confinement du plasma

92 ITER Consortium international : US, Europe, Japon, Russie, Chine, Corée du Sud Etapes : Proposition soviétique 1985 Choix du site (Cadarache, France) 2005 Construction : fin 2018 (?). Buts : R & D produire 500 MW en 400 s Atteindre Q ~ 10 Ne produira que de la chaleur et des neutrons Tester les matériaux et la production de tritium

93

94 JET et ITER

95 Fusion : combustible Fusion deuterium tritium Deuterium : extraction de l'eau (de mer) (0.03% H) Tritium : production à partir du Lithium (Li) Couches de lithium autour du réacteur : par bombardement de neutrons : 7Li + n 3H + 4He + n 6Li + n 3H + 4He Procédé à mettre au point (séparation, etc) Tritium : combustible des bombes H Enjeu militaire Période : 12 ans très radioactif et réactif chimiquement

96 Fusion : récupérer l'énergie L'essentiel de l'énergie produite est transportée par les neutrons émis qui s'échappent du plasma Récupération : entourer le réacteur d'une «couverture» (blanket) qui chauffe sous le flux intense de neutrons Difficultés : résistance des matériaux, procédé de récupération de l'énergie Double usage de la couche de lithium

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99 Successeurs : DEMO... Prototype de réacteur de fusion industriel Produire 2 GW en continu Production électrique véritable Réacteurs industriels à partir de

100 Fusion : autres pistes Fusion par confinement inertiel : Lasers de forte puissance convergent sur une cible de deutérium-tritium (microcapsule) Synchronisation et convergence des faisceaux : symétrie de la cible Pas encore atteint l'ignition France : Laser MégaJoule

101 Laser NOVA

102 Plan Energies fossiles : charbon, pétrole, gaz Filière électro-nucléaire : perspectives Fusion thermonucléaire : principes Fusion : JET, ITER, DEMO, etc. Energies alternatives (quelques mots)

103 Energies renouvelables Nombreuses sources envisagées / expérimentées Solaire : thermique, photovoltaïque Eolien Biomasse, biocarburants Courants marins, marées Géothermie etc... Potentiels élevés, mais faibles concentrations en énergie «Subvention» cachée des énergies fossiles Critère essentiel : EROEI = énergie obtenue / énergie investie Il faut EROEI > 1 et de préférence EROEI >> 1

104

105 Energie solaire directe Energie solaire : flux de 1 kw / m2 Photovoltaïque (conversion en électricité) Solaire thermique (eau chaude)

106 Solaire à grande échelle

107 Les biocarburants

108 L'énergie éolienne Source intermittente 1 grande éolienne : ~1MW

109 Géothermie / Marées / Courants / etc...

110 Concept important : l'énergie Nette Extraction Transport & Stockage Energie Nette Energie Utilisable EROEI = Energie Depensee Il faut EROEI > 1 et même >> 1

111

112 Critère essentiel : EROEI

113 Epilogue Le futur sera plus sobre en énergie... l'énergie sera de nouveau quelque chose de rare et précieux

114 Le XXI siècle ne ressemblera pas à ça...

115 Mais plus probablement à cela :

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