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: 5... 10... 25.. 50.. 100.. 500 ans?
2 Le Monde, 11.4.07: Associations et formations politiques condamnent le décret autorisant la construction de l EPR Adrien C. 11.04.07 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. 11.04.07: 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. 12.04.07: 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. http://www.lemonde.fr/web/article/reactions/0,1-0@2-823448,36-894694@51-875168,0.html
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! 10000 Human World Population [Millions] 2 14 World Energy use in 10 kwh(therm) United Nations estimate 1999 World Energy Use estimate World Population [Millions] 8000 6000 4000 2000 1. Billion (1800) = 980 Million People today (2005) = 6400 Million People tomorrow (2030) = 8110 Million People????? kwh(therm)] 14 energy use [10 1.5 1 0.5 past (1800) = 980 Million People (4000 kwh/person) today (2005) = 6400 Million People (17000 kwh/person) 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 0 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000 year year
4 Utilisation d énergie en 2002 100000 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: www.eia.doe.gov/aer/pdf/perspectives.pdf
5 Notre utilisation d énergie exemple: famille Dittmar en 2006 l électricité et chauffage: 15500 kwh (78% d origine nucléaire) et bois 5000 kwh(therm): 20500 kwh; cuisine a gaz (bouteilles) 50 kg: 50 5 10 4 kjoule = 2.5 GJoule = 700 kwh; voiture: 14700 km (9.5 l/100 km) +11700 km (5.5 l/100 km) total 2000 litre du pétrol = 24000 kwh; (voiture moyenne 0.3-0.86 kwh/personne/km) chemin de fer: 20000 km (0.25-0.78 kwh/personne/km) = 8000-10000 kwh l avion: 0 km (0.42-0.70 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 10 365 37 GJoule/ans/personne 10000 kwh énergie pour production et transport de notre consommation: inconnue(?) exemple: construction d une voiture (à 20000 Euro): 25000 kwh chaque produit acheté (en Euro) contient 1.2 kwh(therm) travail (CERN) avec 3000 personnes 600 GWh 200 MWh/personne = 200000 kwh! (hmm... c est beaucoup! Alors, à diviser par 6.5 milliards de personnes?)
6 L énergie nucléaire? Notre utilisation d énergie pour les prochains 20-30 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 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 L énergie nucléaire: E = m c 2 unité atomique: m u = 1/12 m(c6 12 ) = 1u = 931.50 MeV/c2 M p = 938.272 MeV/c 2 et M n = 939.565 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 + 17.6 MeV 1 gramme Helium = 5.7 10 11 J = 158000 kwh! l énergie dans 1 litre de pétrole 12 kwh (concentration d énergie énorme!)
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!) http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/602/616516/chapter 22.html 9
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!)+u92 235 U 92 236 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 293 94 2.87 neutrons
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 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. (http://de.wikipedia.org/wiki/druckwasserreaktor)
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 80000 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 40000 tonnes par an, mais la consommation de toutes les centrales nucléaires est d environ 65000 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 2003 25 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 1/3 de l uranium utilisé actuellement dans toutes les centrales nucléaires vient de la surproduction des années 1960-1980! ce surplus est bientôt terminé! Qui veut arrêter en premier ces coûteux réacteurs? Western world uranium demand & supply tonnes U 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 Others USA South Africa Niger Namibia Gabon France Canada Australia 1945 1951 1957 1963 1969 1975 1981 1987 1993 1999 Reactor Requirements source: World Nuclear Association
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 10,000 0 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 USEC US Tails DOE Stockpile Russian EUP exports Recycling/MOX Urenco-Areva Tails Enrichment HEU Planned Production Existing Production Demand RWE NUKEM June 5, 2006 18 source: World Nuclear Fuel Market annuel meeting June 2006 J. Faul
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 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 30-40 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 L arme nucléaire (la bombe atomique) historique 1942-45: 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. 150000 personnes décédées immédiatement! (plus www.koflair.at/atomseite.asp) 1952 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. 1970 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 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 la fusion nucléaire controlée: les réactions possibles: H 2 + H 2 H 3 + H 1 + 4.03 MeV H 2 + H 2 He 3 + n + 3.27 MeV H 2 + H 3 He 4 + n + 17.59 MeV H 2 + He 3 He 4 + H 1 + 18.35 MeV (1 MeV = 1.6 10 13 Joule) la fusion de 1 gr (Deuterium + Tritium) peut libérer une énergie (thermique) de 100 000 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 + 17.59 MeV n + Lithium (Li 6 ) Helium + Tritium + 4.8 MeV
21 la fusion dans notre soleil H 1 + H 1 H 2 + e + + ν+ 0.42 MeV H 2 + H 1 He 3 + γ+ 5.49 MeV He 3 + He 3 He 4 + 2p+ 12.86 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 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 Le rêve du physicien du plasma: une grande machine mondiale: le tokamak ITER original ITER prix (2000 Dollar?) 4.3 7.8 Q ( steady state ) 5 10-15 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 m3 2000 m 3 Average neutron wall load 0.6 MW/m 2 1 MW/m 2 Integrated neutron wall load 0.3 MW-year/m 2 1-3 MW-year/m 2 (source Physics Today March 2000)
ITER: un tokamak possible sur l échelle mondiale 24
25 De ITER a un prototype: DEMO? Mais, où est passé le grand aimant?
26 l optimisme de la fusion en Europe: les prochaines 50 années: European Strategy Group (juin 2000): (http://www.efda.org/) 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 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 24.10.2004 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 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 4 3 2 1 2006 onwards: 3% growth? we are here growth 1.5%? 2025: a steady state economy? annual decrease -5% 0 annual decrease -2% 2000 2050 2100 Year
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 24.5.2004, www.iags.org/n0524043.htm 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 20000 K bbl/b.o.e./day 15000 10000 5000 0 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 Source: IFP/ENeRG 1997 2030 2035 2040 2045 2050 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 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 3 2001 [Quad] Total 609 528 540 403 energie nucleaire 86 80 108 26.5 charbon 143 125 116 95.9 petrol 225 185 184 156 gas 96 87 83 93 renewable 60 51 50 32 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 2004. (1 Quad = 10 15 Btu = 1.055 10 18 Joule = 2.93 10 11 KWh) Ces prévisions de la croissance étaient totalement fausses!
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. 2000 Original plot probably made around 1971 by Dr. M. King Hubbert (1903-89) (geophysicist) 21 Figure 4.