LE CYCLE DU COMBUSTIBLE NUCLEAIRE - UPHF€¦ · JIREC 2008 – Bernard Boullis- 15 mai 2008 Le cycle du combustible nucléaire 0 5 10 15 20 25 30 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050

JIREC 2008 – Bernard Boullis- 15 mai 2008 Le cycle du combustible nucléaire

LE CYCLE DU COMBUSTIBLE NUCLEAIRE

Bernard BOULLISCEA

JIREC 2008 - AMBLETEUSE, le 15 mai 2008


CEA : LES GRANDS CHAMPS DE RECHERCHE

NOUVELLESTECHNOLOGIES

Santé/ Information

ENERGIE

RECHERCHEFONDAMENTALE

DEFENSESECURITE

JIREC 2008 – Bernard Boullis- 15 mai 2008 Le cycle du combustible nucléaire 310 Gtep pour 6 milliards habitants …

(from NASA)


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Other RenewableBiomassNuclearGasOilCoalPopulation

Source IEA : Energy to 2050 -Scenarios for a Sustainable Future

Un scénario pour le futur…

Quelles voies pour les prochaines décennies?

-économiser

-diversifier (renouvelable, nucléaire ?)- …


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

DanemarkAutriche


Quelques repères historiques…

• 1938 : HAHN met en évidence le phénomène de fission• 1939 : JOLIOT dépose un brevet pour un « dispositif

de production d’énergie »




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.





• 1948 : ZOE (fort de Chatillon)

• 1956 : G1 à MARCOULE

• 1977 : CHOOZ (REP)

• 1999 : CIVAUX-2 (58ème REP) 1960 1970 1980 1990 2000

541

Hydro

Nucléaire

Fossile

64

421

57





• 1948 : ZOE (fort de Chatillon)• 1945 : HIROSHIMA et NAGASAKI• 1956 : G1 à MARCOULE

• 1970 : CHOOZ (REP)

• 1999 : CIVAUX-2 (58ème REP)





• 1948 : ZOE (fort de Chatillon)• 1945 : HIROSHIMA et NAGASAKI• 1956 : G1 à MARCOULE

• 1970 : CHOOZ (REP)• 1986 : TCHERNOBYL• 1999 : CIVAUX-2 (58ème 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

GEN II Parc actuel

1975 2000 2020 2040 2075

GEN IV

GEN III (EPR)

Extensiondurée de vie

60 000 MWe

0

2060

Source: EDF


Sections efficaces de fission et de capture de l’235U


Sections efficaces de l’ 238U (fission et capture )


LE COMBUSTIBLE DES REACTEURS A EAU

• des pastilles d’oxyde d’uranium enrichi en 235U(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

Fabrication du combustible


Enrichissementde l'uranium


Activités minièreset raffinage


Combustible uséREACTEUR




LE MINERAI D’URANIUM

Moyenne écorce terrestre :quelques grammes U/ tonne

Eau de mer : qqs mg U / tonne eau

Minerais: 0.5 à 10 kg U/ tonne

235 U : 0.7 %238 U : 99.3 %



« L’AMONT » DU CYCLE

FabricationFabrication



Mines et raffinageMines et raffinage

REACTEUR

Enrichissementde l’Uranium

Enrichissementde l’Uranium

235U= 0.7%

yellowcake

UF6







REACTEUR

Enrichissement de l’Uranium


235U= 0.7%

yellowcake

UF6






Mines et raffina geMines et raffina ge

REACTEUR



235U= 0.7%

235U= 4%

yellowcake

UF6


L’ENRICHISSEMENT DE L’URANIUM

5 UTS

8 Kg d’U naturel

(0.71%)

1 Kg d’U enrichi

( 3.5% )

7 Kg d’U appauvri

( 0.25% )

EURODIF:

10,8 millions UTS / an(100 réacteurs.an)

1400 étages ( barrières poreuses )

3000 MW(2400 kWh par UTS)


LL’’ENRICHISSEMENTENRICHISSEMENT

• 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)







REACTEUR

Enrichissement de l’uranium

Enrichissement de l’uranium

235U= 0.7%

235U= 4%

yellowcake

UF6

UO2



RESSOURCES UTILISEES ET RESSOURCES CONNUES

• 2005: production mondiale 41 600 tonnesconsommation 67 500 tonnes


Le cycle du combustible du nucléaire







Combustible uséREACTEUR



( ≈1000t/an )


Les résidus de la « combustion » nucléaire présententdes 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

produits de fission(4%)

Uranium (95%)

plutonium (1%)

actinides mineurs(0.1%).

Composition moyenne


LA GESTION EN AVAL : QUELLES OPTIONS ?

- ENTREPOSAGE

- STOCKAGE DIRECT

- RECYCLAGE

MOX fuel

YUCCA MOUNTAIN, NEVADA


LE COMBUSTIBLE USE


Uranium (95%)

plutonium (1%)


Composition moyenne

235U=0.9%


LE COMBUSTIBLE USE


Uranium (95%)

plutonium (1%)


Composition moyenne

235U=0.9%

isotopes fissiles = 75%


LA STRATEGIE DE RECYCLAGE

REACTEURS


Enrichissementde l’uranium

Mines et raffinage

RETRAITEMENT

(UOX)

UPu autres



REACTEURS



Mines et raffinage

RETRAITEMENT

(UOX)

Uranium



REACTEURS



Mines et raffinage

RETRAITEMENT

(UOX)

(MOX)

Plutonium

Uranium



REACTEURS



Mines et raffinage

RETRAITEMENT

(UOX)

(MOX)

Plutonium

Uranium

Déchets(PF et AM)


Les déchets radioactifs : quels dangers ?

ECRAN


Les déchets radioactifs : quels dangers ?

ECRAN


Problématique du stockage des déchets

DECHET


Contributeurs à la radiotoxicité du combustible usé

10

102

103

104

105

106

107

108

109

1010

10 100 1 000 10 000 100 000 1 000 000

Temps (années)

Inve

ntai

reR

adio

toxi

que

(Sv/

TW

he)

Total Combustible

Pu

Actinides mineurs

Produits de fission

(DPUI par ingestion, CIPR72)


Le combustible nucléaire usé

Radiotoxicité après 1 000 ans

produits de fission

actinides mineurs

Plutonium

produits de fission

Uranium

plutonium

actinides mineurs.

Composition moyenne


Pourquoi retraiter ?

Procédés de traitement

URANIUM PLUTONIUM

Combustible usé

DECHET1. Pour réduire le déchet ultime

3. Pour recycler les matières valorisables

2. Pour le confiner durablement


LE PROCEDE “PUREX”

U, Pu, PFs

solution

Combustible HNO3

TBP

Produits

de fission

U

Pu

DISSOLUTION EXTRACTION


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

Colis de stockage :complément de colisage en acier non alliéd’épaisseur 55 mm, étanche à l’eau pendant ~1000 ans

Alvéole de stockage :• tunnels horizontaux, dans lesquels les colis sont pl acéshorizontalement


ALTERATION EN STOCKAGE GEOLOGIQUE

Alté

ratio

n

temps1 µm/50j à 50°C 1 µm/1000 ans à 25°C

5 cm

radionucléides

Collaboration CEA - CNRS Laboratoire d’Archéologie Médiévale Méditerranéenne Verres basaltiques du Salagou


Simulations de comportement à long terme

0,1 % 100 %10 %

10 000 ans10 millions

d’années

1 million

d’années

Altération estimestimééee

par l’eau


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 ? )… ?


Baromètre IRSN 2006

Le public et les sources d’information…

Le scientifique, reconnu compétent mais … ?


La loi du 30 décembre 1991 (suite)

• Relative aux recherches sur la gestion des déchets radio actifs 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)

enjeu : la faisabilité du stockage géologique.

� le laboratoire souterrain de Bure;

� l’ingénierie des architecturesde stockage;

� l’évaluation des performancesdu stockage géologique profond.

Bure

http://www.andra.fr/


Laboratoire de BURE


Des molécules extractantes, sélectives et résistantes

Am

pour séparer les éléments à vie longue


la fission

LA TRANSMUTATION

des réactions de capture et/ou de fission

pour donner naissance à de nouveaux éléments

la capture


Un exemple: la transmutation du TECHNETIUM

99Tc

99Rustable

100Tc

100Rustable

ββββ-(15,8 s)

ββββ-(210000 ans )

capture


TRANSMUTATION : le cas des actinides

241Am

242Am

243Am

244Am

242Cm

243Cm

244Cm

241 Pu

242 Pu

243 Pu

239 Pu

240 Pu

238 Pu

β- 16,02h

β- 4,96h

239 Np

238 Np

β- 2,36j

β- 10,1h

α162,9j

β+ 16,02h

82,7%17,3%


Expériences de transmutation dans Phénix

APM

Atelier de retraitement en cours d’assainissement

PHENIX


Transmutation : quels dispositifs ?

Accélérateur

Cœur sous critique

En réacteurs électrogènes En réacteurs dédiés


le 28 juin 2006 : une nouvelle loi votée…

retraitement et recyclagepour 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

REACTEURS

ACTINIDES

TRAITEMENT

PF

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!

Documents

LE CYCLE DU COMBUSTIBLE NUCLEAIRE - UPHF€¦ · JIREC 2008 – Bernard Boullis- 15 mai 2008 Le cycle du combustible nucléaire 0 5 10 15 20 25 30 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050