ÉNERGIE NUCLÉAIRE Recherche et solutions d avenir

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1 ÉNERGIE NUCLÉAIRE Recherche et solutions d avenir G. Marleau Institut de génie nucléaire Département de génie physique École Polytechnique de Montréal 6 e journée de la recherche de Polytechnique ÉNERGIE NUCLÉAIRE 1/24

2 Sommaire. 1 Les sujets que j aborderai aujourd hui sont les suivants : 1. L énergie nucléaire aujourd hui. 2. Le nucléaire est-il un système énergétique durable? 3. Les réacteurs nucléaires de demain. 4. La recherche en génie nucléaire à l École Polytechnique. 5. Conclusions. 6 e journée de la recherche de Polytechnique ÉNERGIE NUCLÉAIRE 2/24

3 Énergie nucléaire aujourd hui. 1 L énergie nucléaire c est : une très haute intensité énergétique (la même masse produit potentiellement fois plus d énergie par réaction nucléaire de fission que réaction chimique de combustion); une très faible masse de déchets par unité d énergie produite ( plus faible que pour le combustible fossile) qui est gérée en continu à la centrale; un coût de production faible qui inclus les montants associés à la gestion du combustible nucléaire, de la mine aux déchets, et le démantèlement des réacteurs. 6 e journée de la recherche de Polytechnique ÉNERGIE NUCLÉAIRE 3/24

4 Énergie nucléaire aujourd hui. 2 L électronucléaire c est : 442 centrales nucléaires en exploitation et 29 en construction au 31 décembre 2006; une capacité totale de production de 370 GW(e) (2600 TWh d énergie produite en 2005) qui correspond à 16 % de l électricité mondiale (% stable depuis 1996 et donc croît au même rythme que la demande); 4 centrales ont été mise en marche, 5 ont été mises à l arrêt et 4 ont été mise en chantier en e journée de la recherche de Polytechnique ÉNERGIE NUCLÉAIRE 4/24

5 Énergie nucléaire aujourd hui. 3 L Asie est la région où l expansion est la plus forte avec 17 des 27 réacteurs en construction et 24 des 34 derniers réacteurs couplés au réseau. L Inde veut accroître sa capacité nucléaire d un facteur 10 d ici 2022 et d un facteur de 90 d ici 2052; La Chine prévoit doubler sa capacité d ici 2020 (de 2 à 4%); Le Japon prévoit coupler dix nouvelles centrales au réseau d ici 2014 pour faire passer à 40 % (29% en 2006) la part du nucléaire dans sa production d électricité. présentement 1 centrale au charbon chaque 5 jours. 6 e journée de la recherche de Polytechnique ÉNERGIE NUCLÉAIRE 5/24

6 Énergie nucléaire aujourd hui. 4 Au Canada : Remise en service de Pickering A-1 et accord au sujet du redémarrage de Bruce A-1 et A-2; Le projet de retubage de Point-Lepreau est en marche; Le retubage de Gentilly-2 est toujours à l étude; Ontario Power Generation a annoncé en 2006 la construction de 5 nouvelles centrales d ici e journée de la recherche de Polytechnique ÉNERGIE NUCLÉAIRE 6/24

7 Énergie nucléaire aujourd hui. 5 Les réacteurs nucléaires peuvent aussi être utilisés pour : La désalinisation de l eau de mer (Russie, Inde, Japon, etc.); Produire la vapeur requise pour extraire le pétrole des sables bitumineux de l Athabasca (Energy Alberta Corp. veut mettre en service d ici 2016 un réacteur CANDU à cette fin); Production d hydrogène par un procédé thermochimique non polluant : àt=120c:i 2 +SO 2 +2H 2 O 2HI+H 2 SO 4 (exo) àt=850c:2h 2 SO 4 2SO 2 +2H 2 O+O 2 (endo) àt=350c:2hi I 2 +H 2 (endo) 6 e journée de la recherche de Polytechnique ÉNERGIE NUCLÉAIRE 7/24

8 Système énergétique durable? 1 Inventaires d uranium et de thorium : 3.8 MT de ressources traditionnelles répertoriés d uranium exploitable à un coût de moins de 80 $/kg; 7.1 MT de ressources traditionnelles non répertoriés d uranium exploitable à un coût de moins de 130 $/kg; 22 MT d uranium dans des gisements de phosphate (100 $/kg) et 4 GTU dans l eau de mer (300$/kg); Le thorium est trois plus abondant dans la nature. 6 e journée de la recherche de Polytechnique ÉNERGIE NUCLÉAIRE 8/24

9 Système énergétique durable? 2 La production d uranium est nettement inférieure (60 %) à la demande (67 kt) depuis environ 15 ans et l augmentation du prix montre que les ressources secondaires commencent à s épuiser (stocks accumulés, retraitement, le MOX et ré enrichissement de l uranium appauvri); Le prix de l Uranium a continué à monter passant de 25 $/kg en 2002 à plus de 120 $/kg aujourd hui; Trois pays (Australie, Canada et Kazakhstan) possèdent 50 % des ressources traditionnelles répertoriées et 60 % de la production. 6 e journée de la recherche de Polytechnique ÉNERGIE NUCLÉAIRE 9/24

10 Système énergétique durable? 3 Disponibilité des ressources (en années) pour l uranium avec consommation au niveau de 2004 : Type de ressources répertoriées traditionnelles totales e journée de la recherche de Polytechnique ÉNERGIE NUCLÉAIRE 10/24

11 Système énergétique durable? 4 Déchet et/ou ressource? les 442 centrales nucléaire produisent 10kT de combustible irradié chaque année; moins d un tiers de ce volume est retraité (MOX) le reste étant stocké dans des installations provisoires; 190 kt est actuellement entreposé (piscines ou installations à sec); capacité de retraitement de 5 kt par année et de production de MOX de 200 T/année; avec des cycles avancés (retraitement et recyclage) ces déchets pourraient rapidement se transformer en ressources. 6 e journée de la recherche de Polytechnique ÉNERGIE NUCLÉAIRE 11/24

12 Système énergétique durable? 5 Disponibilité des ressources (en années) pour l uranium avec consommation au niveau de 2004 (retraitement, recyclage et surgénération) : Types de ressources Cycle répertoriées traditionnelles totales Ouvert Fermé Pour l instant, moins de 0.5 % du combustible potentiel (après surgénération) est utilisé. 6 e journée de la recherche de Polytechnique ÉNERGIE NUCLÉAIRE 12/24

13 Système énergétique durable? 6 L avenir à court terme (prochaine 50 années) : développer des réacteurs moins coûteux, plus fiables, résistant mieux à la prolifération et plus efficaces. Le nucléaire à long terme : développer des réacteurs qui utilisent mieux les ressources (100 % au lieu de 0.5 %) tout en produisant moins de déchets de forte activité sur de longues périodes (incinération des actinides). 6 e journée de la recherche de Polytechnique ÉNERGIE NUCLÉAIRE 13/24

14 Réacteurs nucléaires de demain. 1 Contraintes pour les réacteurs avancés : réduction des coûts; renforcement de la sécurité; résistance à la prolifération. Classification : réacteurs de Génération III+; autres concepts évolutifs; réacteurs de Génération IV; réacteurs de fusion. 6 e journée de la recherche de Polytechnique ÉNERGIE NUCLÉAIRE 14/24

15 Réacteurs nucléaires de demain. 2 Évolution des réacteurs : 6 e journée de la recherche de Polytechnique ÉNERGIE NUCLÉAIRE 15/24

16 Réacteurs nucléaires de demain. 3 Génération III+ : Le EPR européen en construction en Finlande; Le ACR-1000 canadien en développement pour mise en service prévue en 2015; Le AP-1000 de Westinghouse et le ABWR de Toshiba et General Electric sous études par le NRC; Le AHWR Indien optimisé pour l utilisation du thorium en développement. 6 e journée de la recherche de Polytechnique ÉNERGIE NUCLÉAIRE 16/24

17 Réacteurs nucléaires de demain. 4 Concepts évolutifs : Le PBMR (réacteur modulaires à haute température à lit de boulets) en Afrique du Sud (collaboration avec les Pays Bas); Les LMFR (réacteur à neutrons rapides comme Phénix en France) qui sont en développement en Chine, France, République de Corée, Inde, Japon et Russie; Les systèmes ADS (système alimentés par accélérateurs) dans plusieurs pays (réacteurs sous critiques pour l incinération des actinides mineurs). 6 e journée de la recherche de Polytechnique ÉNERGIE NUCLÉAIRE 17/24

18 Réacteurs nucléaires de demain. 5 Initiative Génération IV : collaboration internationale (12 pays incluant la Chine et la Russie qui se sont joints en 2006) pour le développement de réacteurs et de cycles du combustibles avancés; une méthodologie internationale (24 pays) pour l évaluation des systèmes innovants a été mise en place; les premiers réacteurs pourraient voir le jour en e journée de la recherche de Polytechnique ÉNERGIE NUCLÉAIRE 18/24

19 Réacteurs nucléaires de demain. 6 Concepts de réacteur retenus par l initiative Génération IV : Réacteur Cycle Refroidis par sodium liquide fermé Refroidis par plomb liquide fermé Rapides refroidis par gaz fermé Refroidis par eau supercritique ferméououvert Gaz à très haute température ouvert Sels fondus fermé participation canadienne. 6 e journée de la recherche de Polytechnique ÉNERGIE NUCLÉAIRE 19/24

20 Recherche à Polytechnique 1 Le ACR-1000 proposé par l ÉACL : collaboration directe au développement du ACR-1000; simulation du comportement neutronique et thermohydraulique du réacteur en utilisant les logiciels développés à l institut de génie nucléaire; validation des analyses de sûreté de l ÉACL. 6 e journée de la recherche de Polytechnique ÉNERGIE NUCLÉAIRE 20/24

21 Recherche à Polytechnique 2 Les réacteurs de Génération IV : développement d outils de calculs adaptés aux filières à gaz en collaboration avec INL et ANL; prise en compte du couplage neutronique/ thermohydraulique dans les réacteurs à eau sur-critique; étude expérimentale des écoulements sur-critiques étranglés (vitesse sonique); étude du flux de chaleur critique. 6 e journée de la recherche de Polytechnique ÉNERGIE NUCLÉAIRE 21/24

22 Conclusions 1 La nécessité du nucléaire. Selon l AIE, l Europe et les pays de la région du Pacifique de l OCDE devront donner une plus grande place à l énergie nucléaire. Une augmentation du nucléaire est indispensable pour prévenir une carbonisation croissante de l approvisionnement mondial en énergie. Il devient évident que les objectifs de Kyoto ne seront jamais atteints sans un accroissement du nucléaire. 6 e journée de la recherche de Polytechnique ÉNERGIE NUCLÉAIRE 22/24

23 Conclusions 2 Évolution de la technologie des réacteurs. Des réacteurs de troisième génération seront bientôt disponibles sur le marché (d ici 5 ans) : ils seront moins chers et plus performants avec plus de sûreté inhérente. Des réacteurs de quatrième génération seront disponibles vers 2020 : ils auront un meilleur rendement, une plus haute température (production directe d hydrogène) et des cycles de combustible avancés (retraitement, recyclage, surgénération) pour un développement durable. 6 e journée de la recherche de Polytechnique ÉNERGIE NUCLÉAIRE 23/24

24 Conclusions 3 L École Polytechnique participe à cette renaissance du nucléaire en : développant des logiciels d analyses de sûreté plus performants; contribuant des résultats expérimentaux aux base de données mondiales utilisées pour caractériser les nouveaux réacteurs; formant les experts qui opéreront ou feront évoluer encore plus loin ces réacteurs. 6 e journée de la recherche de Polytechnique ÉNERGIE NUCLÉAIRE 24/24