L énergie (nucléaire): Quel avenir?

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1 1 L énergie (nucléaire): Quel avenir? St. Genis, 13 avril 2007 Dr. Michael Dittmar/ETH Zurich L utilisation d énergie aujourd hui L énergie nucléaire: Quelques arguments pour le débat (La fission et la fusion nucléaire) Une vision pour notre futur: ans?

2 2 Le Monde, : Associations et formations politiques condamnent le décret autorisant la construction de l EPR Adrien C L EPR permettra de passer à la fusion et de passer à un autre stade. En ce sens, c est une avancée technique. En ce qui concerne le décret, les décisions instaurant l entrée dans le nucléaire et développant ce parc ont toujours été prises d une manière plus ou moins cachée. Pourquoi faudrait-il toujours de grands débats participatifs sur tout? Le débat sur l EPR ne cesse pas depuis la concurrence avec le Japon. La France a dû se battre pour avoir ce réacteur, soyons fiers de notre science!! Bruno d : Statistiquement, le risque que vous et moi ayons à pâtir d un accident nucléaire dû à l EPR est plus faible que celui de se recevoir un A380 sur la figure, et infiniment plus faible que celui de mourir dans un crash aérien en général. Et personne n a demandé de débat public pour le lancement de l A380. Et que dire de la sortie de la 207! Arrêtons de hurler à la fin de la démocratie sur le seul sujet qui n a aucun rapport avec elle! Pour Adrien C.: renseignez-vous, vous confondez EPR et ITER Sylvain G : L humanité peut se remettre d un accident nucléaire, mais le réchauffement climatique risque bel et bien de lui être fatal. Le nucléaire n est certainement pas le remède à tous nos maux énergétiques mais à court et moyen terme il fait partie de la solution.

3 3 6.5 milliards de personnes comme nous utilisent l énergie pour XYZ 130 millions de naissances par an et 60 millions décès par an 10 millions à cause de la famine (direct et indirect). 2 milliards d êtres humains comme nous vivent sans électricité! Human World Population [Millions] 2 14 World Energy use in 10 kwh(therm) United Nations estimate 1999 World Energy Use estimate World Population [Millions] Billion (1800) = 980 Million People today (2005) = 6400 Million People tomorrow (2030) = 8110 Million People????? kwh(therm)] 14 energy use [ past (1800) = 980 Million People (4000 kwh/person) today (2005) = 6400 Million People (17000 kwh/person) year year

4 4 Utilisation d énergie en Milliards kwh (thermal) énergie fossile: 40% pétrole, 22% gaz naturel et 23% charbon énergie renouvable: 8% (la majorité d origine hydro-électrique) énergie électrique: 16% (25% en France ) de ces 16%, 16% sont produit par fission nucléaire (78% en France ) Source:

5 5 Notre utilisation d énergie exemple: famille Dittmar en 2006 l électricité et chauffage: kwh (78% d origine nucléaire) et bois 5000 kwh(therm): kwh; cuisine a gaz (bouteilles) 50 kg: kjoule = 2.5 GJoule = 700 kwh; voiture: km (9.5 l/100 km) km (5.5 l/100 km) total 2000 litre du pétrol = kwh; (voiture moyenne kwh/personne/km) chemin de fer: km ( kwh/personne/km) = kwh l avion: 0 km ( kwh/personne/km) = 0 kwh nourriture (dans les pays riches): 1 Calorie contient 10 Calories d énergie fossile (production et transport). (en train de se réduire (potager)) 2500 Calories GJoule/ans/personne kwh énergie pour production et transport de notre consommation: inconnue(?) exemple: construction d une voiture (à Euro): kwh chaque produit acheté (en Euro) contient 1.2 kwh(therm) travail (CERN) avec 3000 personnes 600 GWh 200 MWh/personne = kwh! (hmm... c est beaucoup! Alors, à diviser par 6.5 milliards de personnes?)

6 6 L énergie nucléaire? Notre utilisation d énergie pour les prochains ans? Pourquoi parle-t on beaucoup d énergie nucléaire, quand seulement 2.5% (25% en France) de notre utilisation d énergie est d origine nucléaire? La prevision de l Organisation Internationale de l Énergie (IEA): trés optimiste pour notre voiture, comfort etc.. ou pessimiste pour notre climat! Mais, seule la prévision qui concerne le nucléaire est peut-être réaliste!

7 7 l énergie (électrique) nucléaire 435 (442 en 2006) réacteurs nucléaires fonctionnent actuellement dans le monde pour une production de 16% de l énergie électrique!

8 8 L énergie nucléaire: E = m c 2 unité atomique: m u = 1/12 m(c6 12 ) = 1u = MeV/c2 M p = MeV/c 2 et M n = MeV/c 2 un atome de carbon 12 (6 protons + 6 neutrons) est moins lourds que 6 protons + 6 neutrons libres! la différence est énorme (7 MeV/c 2 pour chaque nucléon)! (0.8% de la masse est transformé en énergie! par exemple: en fusion nucléaire: fusion Deuterium +Tritium = α + n MeV 1 gramme Helium = J = kwh! l énergie dans 1 litre de pétrole 12 kwh (concentration d énergie énorme!)

9 L énergie nucléaire: E = m c 2 La fission.. pour les atomes les plus lourds (comme l uranium) par exemple: la fission d un atome d uranium (238) peut libérer 250 MeV! (ou 1 MeV/nucléon!) 22.html 9

10 10 La fission de U(235) et PU(239) a chaque fission il y a en plus libération de quelques neutrons avec une grande vitesse. n(lent!)+u U X + Y + νn (vite!) donc pour chaque fission d un atome d uranium(235) 2.43 neutrons et pour chaque fission de plutonium P u neutrons

11 11 Physique de la fission L énergie des neutrons et la probabilité de fission: Important: Il est impossible de parvenir à la fission d un atom d U(238) avec les neutrons résultants de la fission d U(235) ou de Pu(239)! Le plutonium Pu(239) est le résultat de l absorption d un neutron (n + U238)

12 12 Le PWR réacteur (le model le plus utilisé en France) Le PWR utilise deux circuits d eau: le premier (avec une pression de 155 bar) transporte la chaleur. Cettes chaleur est transformée en vapeur d eau dans un deuxième circuit pour faire tourner une turbine. (

13 13 Quelques chiffres: Un 1 GW el réacteur utilise 640 kg U(235)/année = 30 tonnes d uranium enrichi(à 3% U(235)+ 97% U(238)). Donc 165 tonnes d uranium naturel par an Avec une concentration typique de 0.2% on doit bouger tonnes de roches dans une mine. En comparaison, pour produire la même quantité d énergie électrique, on utilise 3 millions de tonnes de charbon. Extraction d uranium naturel dans les mines: environ tonnes par an, mais la consommation de toutes les centrales nucléaires est d environ tonnes par an! Avec 2.5% de contribution nucléaire à notre consommation énergetique on pense que la réserve d uranium connue peut faire fonctioner tous les réacteurs actuels pendant 40 à 80 ans. Prix actuel d uranium: 113 Dollar/pound(U3O8) 300 US Dollar/Kg Uran (en US-Dollar/kg). Les coûts d énrichissement à 3% U(235) sont d environ 500 US-Dollar/kg. Donc le coût pour faire fonctionner un réacteur pendant un an est actuellement de 50 millions US Dollars. Si ce chiffre est correct, pourquoi avons-nous arrêté toutes les exploitations de minerais en France et en Europe?

14 14 1/3 de l uranium utilisé actuellement dans toutes les centrales nucléaires vient de la surproduction des années ! ce surplus est bientôt terminé! Qui veut arrêter en premier ces coûteux réacteurs? Western world uranium demand & supply tonnes U Others USA South Africa Niger Namibia Gabon France Canada Australia Reactor Requirements source: World Nuclear Association

15 15 Ce surplus est bientôt terminé! Qui veut arrêter en premier ces coûteux réacteurs? Western Uranium Supply-Demand plus Secondary Supplies t/u 80,000 70,000 60,000 50,000 40,000 30,000 20,000 10, USEC US Tails DOE Stockpile Russian EUP exports Recycling/MOX Urenco-Areva Tails Enrichment HEU Planned Production Existing Production Demand RWE NUKEM June 5, source: World Nuclear Fuel Market annuel meeting June 2006 J. Faul

16 16 Combien coûte l énergie (nucléaire)? l énergie pour notre comfort (qu est-ce que bien vivre?)! ne pas avoir faim, ni froid, un travail pas trop dur et faire comme on veut, quand on veut! Combien doit-on payer pour cela? Combien de temps doit-on travailler pour un litre d essence? Nous voulons un maximum de services (de bonne qualité) sans compromis pour notre santé et celle de la planète! Mais, il y a toujours des effets secondaires (pollution, déchets, changement climatique et la limitation des resources naturelles!

17 17 Comment calculer le coût de l énergie? Rêponse: difficile à calculer! Nous ne savons pas le prix pour nos enfants et nos petits enfants! Alors... pas de calcul! Que peut-on faire? Calculer le prix actuel et faire l hypothèse, que ce prix reste stable. ex: dans 25 ans le baril de pétrol couterait donc dollars! (étude du gouvernement Suisse de Nov. 2006!)(Quel coût l étude?) Les vrais coûts: La construction et le démontage d une centrale nucléaire? Le stockage des déchets nucléaires (pour quelques milliers d années)? Résultat: C est ne pas notre problème, profitons maitenant et nos enfants payeront plus tard!

18 18 L arme nucléaire (la bombe atomique) historique : Manhattan Project: Trinity test (16 juillet, 1945), Hiroshima 6 août, 1945 (60 Kg U235) Nagasaki 9 août, 1945 (8 Kg plutonium). l énergie libérée par la bombe: 15 et 22 Kilotonnes de TNT personnes décédées immédiatement! (plus Bikini Atoll Première bombe à hydrogène (fusion bombe) (10,4 Megatonnes 830 fois plus que la bombe d Hiroshima). La plus grande bombe (58 Megatonnes) explose le 30 septembre 1961 en Russie. 1963: Partial Test Ban Treaty/PTBT, a interdit les essais dans l atmosphère, l espace et sur l eau Non-Proliferation Treaty (NPT) des armes nucléaires. Aujourd hui non seulement aucun des pays signataire n a éliminé ses armes nucléaires, mais l Inde, Israel et le Pakistan possèdent aussi la bombe! 2007(ou jamais?) le bombardement d un réacteur nucléaire? Et dans quel pays?

19 19 Physique de la bombe atomic la réaction en chaîne non controlée avec l U(235) ou le Pu(239): le principe est simple mais l enrichissement de l U(235) est extrêmement difficile! Par contre avec un réacteur en fonction la production et l extraction de Pu(239) est relativement facile! la masse critique: U(235) = 56 Kg (un ballon R = 11.5 cm) Pu(239)= 11 Kg (un ballon R = 8 cm) La bombe de Hiroshima (Little Boy) U(235) longueur 3 mètres, diamètre 0.7 mètre et poids 4 tonnes.

20 20 la fusion nucléaire controlée: les réactions possibles: H 2 + H 2 H 3 + H MeV H 2 + H 2 He 3 + n MeV H 2 + H 3 He 4 + n MeV H 2 + He 3 He 4 + H MeV (1 MeV = Joule) la fusion de 1 gr (Deuterium + Tritium) peut libérer une énergie (thermique) de kwh! pour un théoricien avec son ordinateur c est simple! Mais petit probléme: le tritium H 3 n existe pas naturellement. Deuterium + Tritium Helium + n MeV n + Lithium (Li 6 ) Helium + Tritium MeV

21 21 la fusion dans notre soleil H 1 + H 1 H 2 + e + + ν MeV H 2 + H 1 He 3 + γ MeV He 3 + He 3 He 4 + 2p MeV environ 600 millions de tonnes d hydrogène sont brulées par seconde! La fusion est possible grâce à la gravitation énorme au centre du soleil.

22 22 50 années de recherche et de développement: énergie de la fusion, où en sommes-nous? Rendement (Q) = 0.6, (Q doit être 30 ou plus!) Volume du plasma = 90 m 3 (2000 m 3 nécessaires) Puissance = 4 MW pour 4 secondes ( devrait être 3 GW sans arrêt) Utilisation du tritium = 20 gr (mais 200 Kg par an)

23 23 Le rêve du physicien du plasma: une grande machine mondiale: le tokamak ITER original ITER prix (2000 Dollar?) Q ( steady state ) Tokamak major radius 6.2 m 8.1 m Tokamak minor radius 2.0 m 2.8 m Burn time (steady state) 2000 s 10,000 s Power output 400 MW 1500 MW Plasma volume 840 m m 3 Average neutron wall load 0.6 MW/m 2 1 MW/m 2 Integrated neutron wall load 0.3 MW-year/m MW-year/m 2 (source Physics Today March 2000)

24 ITER: un tokamak possible sur l échelle mondiale 24

25 25 De ITER a un prototype: DEMO? Mais, où est passé le grand aimant?

26 26 l optimisme de la fusion en Europe: les prochaines 50 années: European Strategy Group (juin 2000): ( ITER- prochaine étape (200x 2030) puissance: 500 MW therm 2000 sec. de fusion quelques tests pour la production du tritium. DEMO- phase de démonstration (2020? 2040?) puissance: 2000 MW therm quelque production d électricité production de tritium en auto-suffisance PROTO- un prototype d une centrale commerciale (2040? 2060?) puissance électrique: 1500 MW el

27 27 Quelques critiques sur le project ITER: par les physiciens: S. Balibar, Y. Pomeau (directeur CNRS) et J. Treiner (Prof. université P. M. Curie), Le Monde Comprendre la physique du plasma doit être jugé comme tout projet de recherche! La machine ITER est en fait un grand instrument de recherche fondamentale, rien de plus Avant de construire le moteur révolutionnaire d une voiture de course, il vaut mieux s assurer qu on aura des pneus pour la faire rouler

28 28 Some hypothetical visions for our future Anyone who believes exponential growth can go on forever in a finite world, is either a madman or an economist. Kenneth Boulding, Prof of Economics 5 Past and Future? Relative World Energy use onwards: 3% growth? we are here growth 1.5%? 2025: a steady state economy? annual decrease -5% 0 annual decrease -2% Year

29 29 Oil is more limited than generally assumed especially in the north sea While primary oil demand in European Union (EU) countries is projected to increase by 0.4% per year from now to 2030, North Sea output peaked in 1999 and has been on the decline ever since. Source: Institute for the Analysis of Global Security , Sea oil production is already close to decline. Europe requirements and North Sea: Medium term prospects are poor NWECS Oil, Condensates & Gas Combined Forecast Three Scenarios - Comparison Low Probable High Europe's Requirements K bbl/b.o.e./day Source: IFP/ENeRG The North Sea is one of the most expensive areas for oil production, not least because of the high cost of deep-sea exploration and extraction. New technologies might bring these costs down, but it is likely that exploration and production costs will continue to be up to up to three times higher in the North Sea ($8-10+bbl) than in the Middle East ($3-5). Depending on the market price for oil, this factor could continue to make the Middle East Europe s favoured source of oil.

30 30 pour terminer... Prévisions ( 1975) pour l utilisation d énergie pour l année 2000) Energie Prévision pour l année 2000 [Quad] Realité type Model 1 Model 2 Model [Quad] Total energie nucleaire charbon petrol gas renewable Prevision: Workshop on alternative Energy Strategies for the year 2000, MIT Press 1977 (Global 2000 Report). Le chiffre pour 2001 vient de report de EIA (1 Quad = Btu = Joule = KWh) Ces prévisions de la croissance étaient totalement fausses!

31 31 Our planet has a finite radius (6370 km) limited energy sources and capacity to absorb pollution! The problem as shown by Noble Laureat C. Rubbia, IAEA Fusion Energy Conf. Oct Original plot probably made around 1971 by Dr. M. King Hubbert ( ) (geophysicist) 21 Figure 4.

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