JIREC 2008 - AMBLETEUSE, le 15 mai 2008 LE CYCLE DU COMBUSTIBLE NUCLEAIRE Bernard BOULLIS CEA
CEA : LES GRANDS CHAMPS DE RECHERCHE RECHERCHE FONDAMENTALE DEFENSE SECURITE ENERGIE NOUVELLES TECHNOLOGIES Santé/ Information
3 10 Gtep pour 6 milliards habitants (from NASA)
Source IEA : Energy to 2050 - Scenarios for a Sustainable Future Un scénario pour le futur World Primary Energy Sources (Gtoe) 30 25 20 15 10 5 Other Renewable Biomass Nuclear Gas Oil Coal Population Quelles voies pour les prochaines décennies? -économiser -diversifier (renouvelable, nucléaire?) - 0 6 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 9 8,5 8 7,5 7 6,5 World Population (Billions)
L énergie nucléaire en 2000 7 % 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
Quelques repères historiques 1938 : HAHN met en évidence le phénomène de fission 1939 : JOLIOT dépose un brevet pour un «dispositif de production d énergie»
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»
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.
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» 541 57 1948 : ZOE (fort de Chatillon) 421 1956 : G1 à MARCOULE 1977 : CHOOZ (REP) Fossile Nucléaire Hydro 64 1999 : CIVAUX-2 (58 ème REP) 1960 1970 1980 1990 2000
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)
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)
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
ENERGIE NUCLEAIRE : LE CAS FRANCAIS Source: EDF 60 000 MWe Extension durée de vie GEN IV GEN II Parc actuel GEN III (EPR) 0 1975 2000 2020 2040 2060 2075
Sections efficaces de fission et de capture de l 235U
Sections efficaces de l 238 U (fission et capture)
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)
Schéma de principe d un réacteur nucléaire
Le cycle du combustible du nucléaire REACTEUR Combustible usé Fabrication du du combustible Enrichissement de de l'uranium Activités minières et et raffinage
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
«L AMONT» DU CYCLE REACTEUR Fabrication Enrichissement de de l'uranium l Uranium UF 6 235 U= 0.7% Mines et et raffinage yellowcake
«L AMONT» DU CYCLE REACTEUR Fabrication Enrichissement de de de de l Uranium l'uranium UF 6 235 U= 0.7% Mines et et raffinage yellowcake
«L AMONT» DU CYCLE REACTEUR Fabrication 235 U= 4% Enrichissement de de de de l Uranium l'uranium UF 6 235 U= 0.7% Mines et et raffina ge ge yellowcake
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)
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)
«L AMONT» DU CYCLE UO 2 REACTEUR Fabrication 235 U= 4% Enrichissement de de de de l uranium l'uranium UF 6 235 U= 0.7% Mines et et raffinage yellowcake
RESSOURCES UTILISEES ET RESSOURCES CONNUES 2005: production mondiale 41 600 tonnes consommation 67 500 tonnes
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
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
LE COMBUSTIBLE USE Uranium (95%) produits de fission(4%) plutonium (1%). actinides mineurs(0.1%) Composition moyenne
LA GESTION EN AVAL : QUELLES OPTIONS? - ENTREPOSAGE - STOCKAGE DIRECT YUCCA MOUNTAIN, NEVADA - RECYCLAGE MOX fuel
LE COMBUSTIBLE USE 235U=0.9% Uranium (95%) produits de fission(4%) plutonium (1%). actinides mineurs(0.1%) Composition moyenne
LE COMBUSTIBLE USE 235U=0.9% Uranium (95%) produits de fission(4%) plutonium (1%). actinides mineurs(0.1%) Composition moyenne isotopes fissiles = 75%
LA STRATEGIE DE RECYCLAGE (UOX) REACTEURS Fabrication du combustible RETRAITEMENT Enrichissement de l uranium Pu U autres Mines et raffinage
LA STRATEGIE DE RECYCLAGE (UOX) REACTEURS Fabrication du combustible RETRAITEMENT Enrichissement de l uranium Uranium Mines et raffinage
LA STRATEGIE DE RECYCLAGE (UOX) (MOX) REACTEURS Fabrication du combustible Plutonium RETRAITEMENT Enrichissement de l uranium Mines et raffinage Uranium
LA STRATEGIE DE RECYCLAGE (UOX) (MOX) REACTEURS Fabrication du combustible Enrichissement de l uranium Mines et raffinage Plutonium Uranium RETRAITEMENT Déchets (PF et AM
Les déchets radioactifs : quels dangers? E C R A N
Les déchets radioactifs : quels dangers? E C R A N
Problématique du stockage des déchets DECHET
Contributeurs à la radiotoxicité du combustible usé Inventaire Radiotoxique (Sv/TWhe) 10 10 10 9 10 8 10 7 10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 10 Total Combustible Pu Actinides mineurs Produits de fission 10 100 1 000 10 000 100 000 1 000 000 Temps (années) (DPUI par ingestion, CIPR72)
Le combustible nucléaire usé Uranium Plutonium. produits de fission plutonium actinides mineurs actinides mineurs produits de fission Composition moyenne Radiotoxicité après 1 000 ans
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
LE PROCEDE PUREX Combustible HNO 3 TBP U Pu DISSOLUTION U, Pu, PFs solution EXTRACTION Produits de fission
LES USINES DE LA HAGUE 4 km
LE TRANSFERT DES COMBUSTIBLES USES
LES PISCINES D ENTREPOSAGE
LE COMBUSTIBLE MOX 20 réacteurs du parc français sont partiellement chargés avec du combustible MOX Plusieurs tonnes de plutonium sont recyclées chaque année
La vitrification des déchets Conteneur de déchets vitrifiés
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
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
Simulations de comportement à long terme Altération estimée par l eau 0,1 % 100 % 10 % 10 000 ans 1 million d années 10 millions d années
LE STOCKAGE DES DECHETS ULTIMES
«LA VERITE» SUR LES RISQUES Sources : Baromètre IRSN 2006
POURQUOI? une information insuffisante? des sources discréditées? Un clivage culturel? La radioactivité, phénomène imperceptible? («Qu est-ce qu un déchet nucléaire?») Autres (éthique? )?
Le public et les sources d information Baromètre IRSN 2006 Le scientifique, reconnu compétent mais?
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
Les recherches sur le stockage des déchets (ANDRA) http://www.andra.fr/ 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
Laboratoire de BURE
Des molécules extractantes, sélectives et résistantes pour séparer les éléments à vie longue Am
LA TRANSMUTATION la capture la fission des réactions de capture et/ou de fission pour donner naissance à de nouveaux éléments
Un exemple: la transmutation du TECHNETIUM 99 Tc capture 100 Tc β- (210000 ans) β- (15,8 s) 99 Ru stable 100 Ru stable
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
Expériences de transmutation dans Phénix APM PHENIX Atelier de retraitement en cours d assainissement
Transmutation : quels dispositifs? En réacteurs électrogènes En réacteurs dédiés Accélérateur Cœur sous critique
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
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»
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?).
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!
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)
L INITIATIVE AMERICAINE GNEP
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!