Nucléaire : e=mc2, il suffisait d’y penser

Eléments de base sur l’énergie au 21è siècle
Jean-Marc Jancovici - ENSMP 2010
Partie 6 - e = mc2, il suffisait d’y penser
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Qu’est-ce qu’une énergie nucléaire ?
Une énergie nucléaire est tout simplement… une énergie associée à
une modification de noyaux atomiques (nucleus = noyau).
La première version est de casser en plusieurs morceaux un
gros noyau (fission), avec libération d’énergie au passage
La deuxième version est de fusionner en un seul noyau 2
noyaux plus légers (fusion), avec aussi libération d’énergie au
passage.
Dans les deux cas de figure, e = mc2 : la masse du/des noyaux
à l’arrivée est plus faible que la masse du/des noyaux au
départ, et la différence est de l’énergie cinétique pour les
produits de fission et rayonnement gamma
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Fusion et fission, deux manières de viser la stabilité
Energie de liaison
en MeV/nucléon
Fission
Fer
Fusion
Masse atomique
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L’énergie nucléaire, ca décoiffe
La réaction nucléaire met en jeu des énergies de quelques MeV par
atome fissionné ou fusionné
La combustion du carbone, c’est environ 5 eV (un million de fois
moins) par atome de C
Il y a donc à peu près autant d’énergie dans la fission d’un
gramme d’U235 (ou de Pu239) que dans la combustion d’une
tonne de pétrole
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Le nucléaire, c’est d’abord la vie…
Sans énergie nucléaire, nous ne serions pas ici
Pas de soleil (fusion)
Le Soleil vu par SOHO le 15
juin 2008 (il va toujours bien
merci)
Pas de planète Terre : les éléments constitutifs de la terre sont
issus d’étoiles de la génération qui a précédé le Soleil
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Le nucléaire est à la base de toute notre énergie…
Toutes les renouvelables - sauf la géothermie et les marées - sont des
conséquences
de
l’énergie
solaire
-
donc
nucléaire
-
arrivée
« récemment » :
Végétaux et dérivés (photosynthèse ex-solaire)
Hydroélectricité (cycle de l’eau = soleil)
Vent (machine climatique : soleil)
Soleil direct, vagues…
La géothermie provient… de la radioactivité naturelle des roches
(nucléaire encore !)
Toutes les énergies fossiles sont des résidus d’énergie solaire (donc
nucléaire) ancienne, un peu cuites par la géothermie… nucléaire
Le nucléaire est… nucléaire
En fait tout ce qui compose la Terre (et la Lune, qui nous fournit les
marées) a été « forgé » dans les étoiles de la génération précédant le
Soleil, par la suite de réactions nucléaires
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D’abord se taper dessus, ensuite penser à autre chose
Comme beaucoup d’autres technologies (hélas), les premiers usages de
l’énergie nucléaire « humaine » ont été militaires :
Fission -> bombe A
Fusion -> bombe H
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Si on reste pacifique, c’est quoi l’idée de départ ?
Le nucléaire civil, c’est un procédé compliqué pour faire
bouillir de l’eau
En grande quantité
Sans combustion
Pas (très) cher
Illustration Bertrand Barré
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Nucléaire ou charbon, c’est - presque - pareil
Vapeur
d’eau
Electricité
Charbon
Uranium
Electricité
Illustration
Bertrand Barré
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Le nucléaire, vraiment trop mauvais ?
Dès qu’il s’agit de faire bouillir de l’eau (nucléaire, mais aussi charbon, gaz, et
fioul lourd, soit 85% de l’électricité mondiale) :
Il faut une source froide
Carnot limite le rendement et on chauffe les petits oiseaux
12,4 Gtepprimaire
8,3 Gtep final
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L’atome, une affaire récente
Électricité d’origine nucléaire dans le monde depuis 1965, en TWh.
Source : BP Statistical review, 2008
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Certains se sont déjà arrêtés (pour le moment)
Électricité d’origine nucléaire en Italie depuis 1965, en TWh.
Source BP Statistical review, 2009
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D’autres mettent le paquet
Électricité d’origine nucléaire en Corée du Sud depuis 1965, en TWh.
BP Statistical review, 2009
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D’autres voudraient bien, mais ne peuvent point
Électricité d’origine nucléaire en Grande Gretagne depuis 1965, en TWh.
BP Statistical review, 2009
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D’autres ont dit qu’ils feraient sans, sauf que…
???
Électricité d’origine nucléaire en Suède depuis 1965, en TWh.
BP Statistical review, 2009
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D’autres ont dit qu’ils aimaient, et après ?
???
Électricité d’origine nucléaire en Suisse depuis 1965, en TWh.
BP Statistical review, 2009
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Atome, qui en fait finalement ?
% de nucléaire dans la production électrique en 2008
BP Statistical review, 2009
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La fission : smaller is beautiful
La fission consiste à exploiter l’énergie libérée par le fractionnement en
plusieurs petits noyaux d’un gros noyau avec Z > 89
Cette fission peut intervenir spontanément (cas rare)
Elle peut intervenir après absorption d’un neutron (cas standard).
Exemple de l’uranium 235 :
Neutron
Quelques
thermique
neutrons à ~2
Produits de
Noyau fissile
(e<0,625 eV)
MeV
fission
Exemple « pour de vrai » :
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La fission, c’est le grand bazar…
Après une fission, on obtient :
Deux noyaux plus petits, porteurs d’énergie cinétique : les produits de
fission
Sr, Kr…
Cs, I
Leur demi-vie est généralement comprise entre quelques heures et
quelques dizaines d’années, et leurs descendants sont souvent
radioactifs eux-mêmes
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Après une fission, c’est le grand bazar… (bis)
Après une fission, on obtient (2) :
Des neutrons, bien trop énergétiques pour être absorbés par les
noyaux fissiles, et en trop grand nombre pour que la réaction soit
stable
Capture =
soustraction de
neutrons en
circulation
Fission
initiale
Modérateur =
chocs élastiques
sur de petits
Le but du jeu ? Qu’il reste exactement un neutron
noyaux
thermique par noyau fissionné !
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Après une fission, c’est le grand bazar… (ter)
Après une fission, on obtient encore :
Du rayonnement gamma
Des actinides, dont le plutonium, dont les isotopes impairs sont fissiles
n+β
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Vous n’aimez pas les lents ? Prenez le rapide
Il faut donc 2 neutrons au lieu d’un pour passer du noyau fertile à la
fission
Dans le cas du Pu, le neutron de fission est « rapide » (e > 0,9 MeV)
Il existe deux isotopes fertiles présents dans la nature : U238 (99,3%
de U total) et Th232 (100% de Th)
La réaction fournit les neutrons permettant de « régénérer » du
combustible à partir de l’isotope initial : on parle donc de
« surgénérateur »
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La bouilloire se perfectionne, bien sûr…
1942 : la pile de Fermi, 0,5
watts de puissance !
Systèmes
Réacteurs
du futur
Réacteurs
avancés
actuels
Premières
réalisations
1950
1970
1990
2010
2030
2050
2070
2090
Generation I
UNGG
Generation II
CHOOZ
REP 900
Generation III
REP 1300
N4
EPR
Generation IV
Source CEA
?
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Entrez dans la ronde…
appauvri
Unat
Mine U
enrichi
Enrichissement
Plutonium
Concentration
Fabrication
Traitement c.u.
kWh
Déchets
Réacteur (4 ou 5 ans)
Illustration Bertrand Barré
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Plus fort que les Jivaros : la réduction des poids
For 1 MWh (electricity)
Use in
2,4 gU
Reactor
2,3 gU+FP+Pu
Fuel
Spent Fuel
fabrication
storage
2,4 gU
Isotopic
Depleted
U
Enrichment
18 gU
15,6 gU
Basic assumptions
Conversion
« Burnup » = 52 GWd/t
to UF6
Thermal yield = 33%
18 gU
* Like the EPR TM
Basic assumptions
U Mining &
Average mill feed grade = 0.2%U
Tailings
milling
U recovery rate = 90 %
10 kg of ore
>300 kg of hard coal
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CO or not CO : il faut compter…
2
2
1,40%
waste management
1,20%
plant build & decom
plant operat.
1,00%
fuel fab
enrichment
0,80%
conversion
Mining & milling
0,60%
0,40%
Fuel cycle
front-end
0,20%
0,00%
Example of Forsmark
(Vattenfall)
Source WNA
% de l’énergie finale du réacteur consommée par chaque étape de
préparation du combustible. Source Areva
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CO or not CO : il faut compter…
2
2
0,016
0,014
Fuel fabrication
ed
Enrichment
0,012
Conversion
oduc
Mining&milling
pr
ity
0,01
ictr
ec 0,008
h of el 0,006
W
h/M 0,004
WM 0,002
0
Total current
Total 2015
Source Areva
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CO or not CO : il faut compter…
2
2
1,2
Recovery rate
total (0,9)
1
total (0,7)
h
W 0,8
/Mh
WM 0,6
cle
0,4
el cyuF
0,2
4 to 6 ppm
0
1
10
100
1000
10000
grade (in ppm U)
* Conventional mines
Consommation d’énergie du cycle du combustible en fonction de
la teneur du minerai en U. Source Areva.
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Le kWh nucléaire est sensible au prix de l’U, mais pas trop

Sensibilité du kWh nucléaire au prix de l’Uranium ($ par livre de U O )
3
8
Source AREVA
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CO or not CO : il faut compter (bis)…
2
2
Nucléaire
Eolien
Hydro
PV
Bois
Min
CCS
Max
Gaz
Fioul
Charbon
Lignite
0
500
1000
1500
2000
Fourchette des évaluations des émissions de CO par kWh
2
électrique selon les modes de production.
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… mais le public n’en tient pas toujours compte !
IFOP, novembre 2006
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Le nucléaire, parfois sujet préféré des journalistes
Plus généralement, le nucléaire a nourri et continue à nourrir de
nombreux débats parfois houleux :
Déchets
Accidents
Maladies
Coût
« opacité »
Pas assez d’uranium…
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On joue au petit jeu des réserves ?

Équivalent du 1P
Phosphates, eau
≈ Équivalent du 2P
de mer…
Total haut de fourchette : > 30 à 40 Mt
Source AREVA
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On joue au petit jeu des exponentielles ?

50
U
)
ral
s
REP cycle ouvert
e 40
u
n
at
no 30
T
Rapides introduits en 2050
ive N
n
20
lat
Ressources speculatives
u
illio
Rapides introduits en 2030
m
(M 10
u
Ressources connues
C
0
2000
2020
2040
2060
2080
2100
Year
« Durabilité » des réserves d’U si le nucléaire se développe.
Source CEA
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Combustible, mais ne se consume pas !
Combustible neuf
Uranium (4% 235U) : 500 kg
Uranium (0,9% 235U) : 475 kg
Pu : 5kg
PF* : 20 kg
recyclables
Combustible usé
*(et quelques Actinides mineurs)
Illustration Bertrand Barré
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Les déchets, quelques ordres de grandeur
Déchets industriels : 2 500 kg
dont déchets toxiques :
~100 kg
Déchets nucléaires
moins de 1 kg
dont vie longue : 100g
dont HA : 10g
Production de déchets par Français(e) et par an
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Les déchets, quelques ordres de grandeur
Catˇgorie de dˇchets
Production totale
(part fran¨aise)
TFA
1 ˆ 2 000 000 m3
(hors rˇsidus miniers)
FMA Š vie courte
1 300 000 m3
(stockˇs)
FMA Š vie courte - Dˇchets tritiˇs
3 500 m3
FA Š vie longue - Graphites
14 000 m3
FA Š vie longue - Radif¸res
> 100 000 m3
MA Š vie longue
60 000 m3
HA - Produits de fission vitrifiˇs
5 000 m3
Volumes de déchets pour 40 ans d’exploitation du parc actuel.
Source ANDRA
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Un exemple de poubelle
Stockage faible activité à Soulaines
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Le déchet nucléaire ne le reste pas indéfiniment
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L’égalité n’existe pas plus devant la radioactivité
Doses mortelles pour diverses catégories d’être vivants.
Source UNSCEAR
NB : 1 Gray = 1 joule par kg d’énergie transmise par le rayonnement
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Nous sommes tous irradiés, c’est juste une question de dose
En dessous de 200 mSv par an, pas d’effet documenté sur la santé
Décomposition du rayonnement reçu par Français et par an en mSv
Source André Aurengo, 2003
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La relation linéaire dose-effet sans seuil, commode mais faux
Effets sanitaires :
Déterministes > 700 mSv
; effet croit avec dose
Stochastiques adultes >
200 mSv ; proba croît
avec dose, pas effet
Stochastiques enfants >
100 mSv
Stochastiques foetus >
20 mSv
Décomposition du rayonnement reçu par Français et par an en mSv
Source André Aurengo, 2003
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Les doses ne se mesurent pas, elles se calculent
kBq/m2
1.500
200
40
10
2
1 26 avril 0 h 2 27 avril 0 h 3 27 avril midi
4 29 avril 0 h 5 02 mai 0 h
6 04 mai midi
Trajectoires vents et rejets dans l'atmosphère
non
connu
Trajectoires (évaluées) des
Estimation des activités en Cs-137 déposé
panaches de Tchernobyl
sur certains pays d'Europe après l'accident
de Tchernobyl
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Quand les études épidémiologiques existent, quid ?
Source André Aurengo
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Centrales (maintenant) = bombinettes (plus tard) ?
?
Il y a indiscutablement des bases scientifiques communes
Les filières d’accès aux matières fissiles peuvent être les mêmes, mais
pas toujours (ex Pu 239 pas compatible avec l’exploitation commerciale
d’un REP, mais oui pour CANDU)
Tout pays décidé à le faire peut « proliférer », avec ou sans nucléaire
civil, et historiquement cela a plutôt été sans (y compris Israel, Afrique du
Sud, Irak…)
Développer l’électricité nucléaire fait entrer dans un système international
d’engagements, de contrôles, qui rend plus détectables les activités
clandestines (N.K.,Iran)
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Peut mieux faire !
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Les projets dans les cartons
Réacteur rapide au plomb
Réacteur rapide Sodium
Réacteur rapide à gaz
Réacteur à eau supercritique
Réacteur à gaz, Très Haute Température
Réacteur à sels fondus
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Rappel : le but du jeu, c’est d’essayer ça
+ 4 à 5% par an
-1,5% par an
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Le nucléaire peut-il faire +4% par an ?
Quelques éléments de réflexion :
L’accident de Tchernobyl, selon l’OMS, fera au plus quelques milliers de décès
prématurés en 40 ans (le tabac, l’alcool, la voiture ou la « malbouffe » : environ un
million chacun par an),
Les déchets nucléaires sont produits en quantités minimes par rapport à bien d’autres
activités
Les réserves d’uranium accessibles si on y met le prix sont importantes (et en U238 ne
constituent plus une limite)
Mais… 4% de croissance sur 45 ans, c’est 2.500 réacteurs nucléaires en 2050 (400
aujourd’hui), 5.000 si 50% de pertes après production de l’électricité (stockage,
conversion en H , etc), 10.000 si peu de contribution des renouvelables.
2
Y aura-t-il les capitaux ? (10.000 réacteurs ≈ 20.000 G$, ≈ 50% du PIB mondial 2000)
Y aura-t-il les compétences ?
Y aura-t-il la volonté en démocratie, avec 20 ans de préavis ?
Y aura-t-il les emplacements ? Etc etc
La contribution du nucléaire à « la » solution : encore et toujours une question
d’ordre de grandeur !
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Sur le papier, d’aucuns disent que oui… mais après le peak oil
Réserves en uranium naturel
Réserves restantes Uranium naturel
Hypothèse : Puissance installée multipliée par 16
Scenario REP - RNR - RSF
Total
RSF
REP
EPR
RNR
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Et la fusion ?
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La fusion, c’est mieux que la fission ?
Avantages :
Charge de combustible très faible (quelques kg), donc pas d’accident de criticité
possible
Toute « panne » entraîne immédiatement la fin du confinement du plasma et l’arrêt de
la réaction
Source quasi inépuisable de Deutérium sur Terre
Pas de produits de fission en direct (alpha n’est pas radioactif, les neutrons non plus)
Mais…
ITER sera juste un objet de recherche, objectif = NRJ injectée < NRJ de fusion
Construction ITER (10 ans) + expérimentation (10 ans) + construction prototype (10
ans) + expérimentation prototype (10 ans) + construction tête de série (10 ans) = rien
avant 50 ans
Le tritium vient de l’activation du lithium, guère plus abondant que l’uranium ; c’est
la fusion D-D qui ouvre la voie à l’infini (qu’il va donc falloir attendre encore un peu)
Il n’y a pas de déchets de la fusion, mais l’activation par les neutrons de la
couverture du réacteur produira probablement quelques cochonneries quand même
L’énergie infinie résout-elle plus de problèmes qu’elle n’en crée ?
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