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L'énergie nucléaire est-elle efficace? Frédéric Legée - Gilles Mathonnière Anne Baschwitz - Sophie Gabriel. Plan de l'exposé. L'efficacité économique actuelle L'efficacité énergétique et l'utilisation des ressources La transition vers l’efficacité énergétique Conclusions.

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Plan de l'exposé

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Presentation Transcript


Plan de l expos

L'énergie nucléaireest-elle efficace?Frédéric Legée - Gilles Mathonnière Anne Baschwitz - Sophie Gabriel


Plan de l expos

Plan de l'exposé

  • L'efficacité économique actuelle

  • L'efficacité énergétique et l'utilisation des ressources

  • La transition vers l’efficacité énergétique

  • Conclusions


L nergie nucl aire est comp titive aujourd hui

L'énergie nucléaire est compétitive aujourd'hui

Rapport 2010 Projected Costs of Generating Electricity, de l'OCDE/AEN

et de l'Agence Internationale de l'Energie


D composition du co t de production rel

Décomposition du coût de production (REL)

Taux d’actualisation à 8% décroissant à 3% après 30 ans


La situation actuelle de l nergie nucl aire

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)


L nergie nucl aire peut elle tre une nergie d avenir avec son efficacit nerg tique actuelle

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


Les ressources mondiales en uranium

Les ressources mondiales en uranium

Les ressources sont décrites dans le « livre rouge » de l’OCDE/AEN et de l’AIEA (édition 2008)

Aux ressources conventionnelles s'ajoutent de l’ordre de 22 millions de tonnes extractibles des phosphates.


Production mini re d uranium et demande pour la production lectrique 1945 2007

Production minière d’uranium et demande pour la production électrique, 1945-2007

Source Livre rouge


Prix spot moyen annuel de l uranium d penses d exploration et de d veloppement des mines 1970 2007

Prix spot moyen annuel de l'uranium – Dépenses d'exploration et de développement des mines (1970-2007)


Capacit th orique de production d uranium d ici 2030

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


Besoins futurs li s la renaissance du nucl aire

Besoins futurs liés à la renaissance du nucléaire

Capacité nucléaire installée selon l’IIASA

IIASA A2IIASA A3IIASA BIIASA C2

GWe

Années


Comparaison offre demande d uranium le d tail via les calculs de l i t s

Comparaison offre-demande d’Uranium: le détail via les calculs de l’I-tésé

IIASA A2IIASA A3IIASA BIIASA C2

Uranium consommé

Uranium consommé et engagé

Mt

Mt

Scénarios avec des REL actuels pour répondre à la demande en électricité nucléaire


Efficacit nerg tique un saut technologique n cessaire

Efficacité énergétique : un saut technologique nécessaire

  • Systèmes de 4ème 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)


Des sc narios de capacit install e en rnr compte tenu de la disponibilit du pu

Des scénarios de capacité installée en RNR compte tenu de la disponibilité du Pu

TWe


Efficacit nerg tique axes de r d

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


Comment r duire la consommation d uranium des rel l amont du cycle

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


Comment r duire la consommation d uranium des rel aval du cycle

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)

    • Retraiter les combustibles UOx usés pour lesquels le retraitement n'est pas prévu (et augmenter les capacités mondiales de traitement)

(environ 25% au total)


Comment r duire la consommation d uranium des rel r acteurs 1

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


Comment r duire la consommation d uranium des rel r acteurs 2

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)


Le thorium

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 (1.5 105 a)

    comparable à :

    U 238 + n  U 239 ( 23,5 min)  Np 239 (2,3 j)  Pu 239 (24 000 a)

  • 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.


Rel hfc

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


Plan de l expos

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


Plan de l expos

REL et RNR : une symbiose nécessaire

1: Puissance installée en RNR2:Puissance totale installée

REL

Réacteurs à Eau Légère

GWe

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)


Disponibilit du plutonium et

Disponibilité du plutonium et

utilisation maximale de l’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

Deux objectifs à concilier

Uranium

Des stratégies de gestion des combustibles à optimiser

Plutonium

Le chemin le plus rapide vers la sobriété énergétique n’est pas le plus économe en uranium


Plan de l expos

Chemistry

Enrichment

Mines

Fuel

Fabric.

Recycling :

MOX Fuel

fabrication

Ultimate

Waste

Disposal

Spent Fuel

Reprocessing

Reactors

& Services

La transition vers les systèmes futurs

L’efficacité c’est d’abord l’efficacité vis-à-vis de la ressource

Unat

Uapp

URT

Pu

…mais aussi vis-à-vis de la gestion des déchets radioactifs


Plan de l expos

Bitume

Ciment

Verre

Cimentscoques

Compactage

Combustible

usé

Déchets radioactifs

Des progrès significatifs déjà obtenus par le passé

Volume de déchets m3/tHM

  • Diminution de la radiotoxicité

U

4

Plutonium

3

2

Actinides mineurs

1

Produits de fission

0

1989(Design)

1995

2000

Radiotoxicité

après 1 000 ans


Plan de l expos

En France, le CEA traduit en scénarios les options possibles pour de futurs systèmes nucléaires (loi de 2006)

des scénarios guidés par l’efficacité de gestion des déchets


Plan de l expos

Pour le futur : un traitement des déchets plus ou moins efficace selon les options

Cycle ouvert

Extraction Pu

Extraction Pu+ actinides mineurs

Toxicité long terme

100%

5%

0,0001%

100%

25%

< 10%

Volumes


Plan de l expos

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


Plan de l expos

Systèmes nucléaires du futurl’efficacité économique

Une économie de l’énergie nucléaire qui évoluera

Coût du combustible (type RNR)

Coût du combustible (type EPR)

  • Une compétitivité fondée sur de nouveaux paramètres

  • un avenir incertain

un besoin de flexibilité


Plan de l expos

La flexibilité des options

Exemple de la transmutation des Actinides Mineurs

Concilier efficacité énergétique et gestion efficace des déchets

Fabrication du combustible

Retraitement

Energie+transmutation en réacteur de 4ème génération (RNR)

Am

Usine 130 tonnes/an

Atelier 430 tonnes/an

+

+

Usine 2420 tonnes/an

Atelier 5420 tonnes/an

Pu

Ou ?

Ou ?

Un découplage possible des objectifs facteur de flexibilité… mais aussi de complexité

Atelier 6450 tonnes/an

Usine 3450 tonnes/an

Pu+Am


Plan de l expos

La R&D : un facteur de flexibilité.Une quantification possible par des outils comme les options réelles

L’apport de la R&D à la flexibilité

Chaque option fait l’objet d’une quantification économique

on introduit le faitque les conditions favorables à l’option peuvent ne pas être atteintes

on évalue à partir de quels niveaux de probabilité favorable l’option de R&D a une valeur positive

La R&D, une « assurance » pour l’efficacité du système


Conclusions 1 2

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.


Conclusions 2 2

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


Merci pour votre attention

Merci pour votre attention


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