L'énergie nucléaire est-elle efficace? Frédéric Legée - Gilles Mathonnière Anne Baschwitz - Sophie Gabriel DEN/DANS/I-tésé 1
Plan de l'exposé L'efficacité économique actuelle L'efficacité énergétique et l'utilisation des ressources La transition vers l efficacité énergétique Conclusions 2
L'énergie nucléaire est compétitive aujourd'hui 250 200 Median Line USD/MWh 150 100 50 0 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
Décomposition du coût de production (REL) Taux d actualisation à 8% décroissant à 3% après 30 ans 4
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
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
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) 40 80 (15-30) 1,8 0,8 1,2 0,6 1,9 4,8 80 130 (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
Production minière d uranium et demande pour la production électrique, 1945-2007 80 000 70 000 60 000 50 000 40 000 30 000 20 000 10 000 8 tu 1945 1947 1949 1951 1953 1955 1957 1959 1961 1963 1965 1967 1969 1971 1973 1975 1977 1979 1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 * 2007 values are estimates. World Requirements World Production Source Livre rouge
Prix spot moyen annuel de l'uranium Dépenses d'exploration et de développement des mines (1970-2007) 9
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
Besoins futurs liés à la renaissance du nucléaire Capacité nucléaire installée selon l IIASA 10000 IIASA A2 IIASA A3 IIASA B IIASA C2 1 2 3 GWe 5000 1 2 3 2 3 4 4 1 4 2 3 4 1 2 3 4 1 0 2000 2030 2060 2090 2120 2150 Years Années 16:47 lun 10 sep 2007 11
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 140 120 Mt 140 120 Mt 100 100 80 80 60 60 40 40 20 20 0 2000 2020 2040 2060 2080 2100 2120 2140 0 2000 2020 2040 2060 2080 2100 2120 2140 Uranium conventionnel Uranium non conventionnel Scénarios avec des REL actuels pour répondre à la demande en électricité nucléaire 12
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 300 000 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
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 4 2 0 2000 2020 2040 2060 2080 2100 2120 2140 14
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
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
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 UO2 1060 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
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
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
Le thorium? Th est un isotope FERTILE qui génère un isotope fissile : U 233 Th 232 + n Th 233 (22 min) Pa 233 (27 j) U 233 (1.5 10 5 a) comparable à : U 238 + n U 239 ( 23,5 min) Np 239 (2,3 j) Pu 239 (24 000 a) U 233 U 235 Pu 239 Eta : spectre neutrons lents 2.29 2.07 2.11 Eta : spectre neutrons rapides 2.27 1.88 2.33 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
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
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
REL et RNR : une symbiose nécessaire 8000 GWe 4000 1: Puissance installée en RNR 2:Puissance totale installée 2 2 REL Réacteurs à Eau Légère 1 2 1 2 1 2 0 1 1 2000 2030 2060 2090 2120 2150 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
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
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
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 2 1 0 Ciments coques Compactage 1989 (Design) 1995 2000 Combustible usé Actinides mineurs Produits de fission Radiotoxicité après 1 000 ans 26
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 2040 2040 2050 2080 Na Na Na Na F4 F15 F21 F8 2040 2040 2050 2080 Na Na Na Na F1 F12 F18 F9 Vert : scenario étudié Rouge : scenario envisagé 2040 2050 Na+ADS F7 Na+ADS F24 2040 Na F3 2040 Na F14 2050 Na F20 Na : Rapide Sodium G Rapide Gaz : Na G : Sodium puis Gaz 2040 2040 2050 2080 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 F11 2040 : déploiement 127 GWe 2050 : déploiement 127 GWe 2080 : déploiement 60 GWe des scénarios guidés par l efficacité de gestion des déchets 27
10000 Pour le futur : un traitement des déchets plus ou moins efficace selon les options 1000 Radiotoxicité relative 100 10 Combustible usé ( Pu + AM + PF) 1 Minerai uranium naturel PF AM +PF 0,1 10 100 1000 10000 100000 1000000 Temps (années) Toxicité long terme Extraction Pu+ actinides mineurs 0,0001% Extraction Pu 5% Cycle ouvert 100% Volumes < 10% 25% 100% 28
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
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
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 2 420 tonnes/an Pu Atelier 5 420 tonnes/an Ou? Ou? Usine 3 450 tonnes/an Pu+Am Un découplage possible des objectifs facteur de flexibilité mais aussi de complexité Atelier 6 450 tonnes/an 31
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
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
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
Merci pour votre attention 35