plan de l'exposé

1DEN/DANS/I-tésé

L'énergie nucléaire

est-elle efficace?

Frédéric Legée - Gilles Mathonnière

Anne Baschwitz - Sophie Gabriel

2 Journée I-tésé du 3 Juin 2010

Plan de l'exposé

L'efficacité économique actuelle

L'efficacité énergétique et l'utilisation des ressources

La transition vers l’efficacité énergétique

Conclusions


0

50

100

150

200

250

Nuclear Coal Coalw/CC(S)

Gas Wind Onshore


Gas WindOnshore


Gas WindOnshore

N. America Europe Asia Pacific

USD

/MW

h

CAN, MEX, USA, US EPRI AUT, BEL, CHE, CZE, DEU, Eurelectric/VGB, ESAA, JPN, KOR FRA, HUN, ITA, NLD, SVK, SWE

Median Line

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


Décomposition du coût de production (REL)Taux d’actualisation à 8% décroissant à 3% après 30 ans


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'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

Ressources conventionnelles ou classiques (MtU)

Ressources identifiéesRessources non

découvertes

USD/kg U(USD/lbU3O8)

Raisonnablement assurées

Présumées Pronostiquées Spéculatives

< 40(15)

1,8 1,2

1,9

4,840 – 80(15-30)

0,8 0,6

80 – 130(30-50)

0,7 0,3 0,8

> 130(>50)

3,0

Sous Total 3,34 2,13 2,8 7,8

TOTAL 5,5 10,5

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

10 000

20 000

30 000

40 000

50 000

60 000

70 000

80 000

1945

1947

1949

1951

1953

1955

1957

1959

1961

1963

1965

1967

1969

1971

1973

1975

1977

1979

1981

1983

1985

1987

1989

1991

1993

1995

1997

1999

2001

2003

2005

2007

tU

World Requirements World Production* 2007 values are estimates.

Source Livre rouge


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


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 liés à la renaissance du nucléaire

16:47 lun 10 sep 2007Page 5

2000 2030 2060 2090 2120 2150

Years

1:

1:

1:

0

5000

10000

Puissance nette totale: 1 - 2 - 3 - 4 -

1 1

1

1

1

2

2

2

2

2

3

3

3

3

3

44

4

4

4

Années

GW

e

Capacité nucléaire installée selon l’IIASAIIASA A2 IIASA A3 IIASA B IIASA C2


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

0

20

40

60

80

100

120

140

2000 2020 2040 2060 2080 2100 2120 2140

0

20

40

60

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100

120

140

2000 2020 2040 2060 2080 2100 2120 2140

IIASA A2 IIASA A3 IIASA B IIASA C2

Uranium consommé Uranium consommé et engagé

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

Mt Mt


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

0

2

4

6

8

10

2000 2020 2040 2060 2080 2100 2120 2140Années

TWe


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 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 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)

1200 tonnes /an decombustible usé(UOX et MOX)

Retraitement : 850 tonnes /

an

La Hague

Retraitement : 850 tonnes /

an

La Hague

Recyclage : 100 tonnes/an de

MOXDans 20 tranches 900

CPY

MELOX

Recyclage : 100 tonnes/an de

MOXDans 20 tranches 900

CPY

MELOX

8,5 t / an de plutonium

séparé (1%)adéquation des

flux

Uranium de retraitement URT -~ 810 t / an

1/3 réenrichi et recyclé « en ligne » 2 tranches 900 ou 40

t/an)déchets conditionnés

entreposage

Transport vers La Hague, réception,

entreposage sous eau

1200 tonnes/an

Transport vers La Hague, réception,

entreposage sous eau

1200 tonnes/an

103 m3 / an HAVL vitrifiés

122 m3/an MAVL compactés

Fabrication combustible UO2 1060 t/an ou 2000 assemblages/an

Uranium et conversion 8000 t/an

Enrichissement 5,5 MUTS/an

constante de temps: 20 ans

430 TWh /an

Centrales EDFdont 20 tranches MOXées

430 TWh /an

Centrales EDFdont 20 tranches MOXées


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 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 ? 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)

U 233 U 235 Pu 239

Eta : spectre neutrons lents 2.29 2.07 2.11

Eta : spectre neutrons rapides

2.27 1.88 2.33

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?

Facteur de conversion FC :Quantité de matière fissile produite/Quantité de matière fissile consomméePour 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

22DEN/DANS/I-tésé

L'efficacité économique actuelle

L'efficacité énergétique et l'utilisation des ressources

La transition vers l’efficacité énergétique

Conclusions

Plan de l'exposé

Energie nucléaire


REL et RNR : une symbiose nécessaire

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)

RNR

REL

17:00 mar 25 mai 2010

Untitled

Page 7

2000 2030 2060 2090 2120 2150

Years

1:

1:

1:

2:

2:

2:

0

4000

8000

1: Puissance nette courante[RNR Na] 2: Puissance nette totale

1 1

1

1

1

2

2

2

2

2

1: Puissance installée en RNR 2:Puissance totale installéeG

We

Réacteurs à Eau Légère

Réacteurs à Neutrons

Rapides


Disponibilité du plutonium et

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

Des stratégies de gestion des combustibles à optimiser

utilisation maximale de l’uraniumDeux objectifs à concilier

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

Plutonium Uranium


La transition vers les systèmes futurs

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

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

UltimateWasteDisposal

Mines

Enrichment

FuelFabric.

Reactors& Services

Recycling :MOX Fuelfabrication

Chemistry

Spent FuelReprocessing

URT

Pu

Unat

Uapp


Diminution de la radiotoxicité

Radiotoxicité

après 1 000 ans

Produits de fission

Actinides mineurs

Plutonium

Volume de déchets m3/tHM

0

3

2

1

4

1995 20001989(Design)

Bitume

Ciment

Verre

Cimentscoques

Combustibleusé

Compactage

Déchets radioactifsDes progrès significatifs déjà obtenus par le passé

U


En France, le CEA traduit en scénarios les options possibles pour de futurs systèmes

nucléaires (loi de 2006)Actinides Mineurs en

cible (mode hétérogène)

cible encouverture RNR

Pas de transmutation des Actinides

Mineurs

Actinides Mineurs dans le combustible (mode homogène)

NaF12

NaF4

2040 2080

NaF8

NaF9

NaF1

2040 2080 2040

2040 2080

NaF2

NaF10

NaF18

2050

NaF13

2040

NaF19

2050

NaF15

2040

NaF21

2050

séparation Cs-Sr

2040

NaF3

NaF14

2040

NaF20

2050

2080 : déploiement 60 GWe




AM : Actinides Mineurs

Vert : scenario étudié

Rouge : scenario envisagé

GF5

NaGF6

GF16

NaGF17

GF22

NaGF23

GF11

Na+ADSF7

Na+ADSF24

Na : Rapide SodiumG Rapide Gaz :

NaG : Sodium puis Gaz

Transmutation en ADS

2040 2050

Pas de séparation Cs-Sr

Actinides Mineurs en cible (mode hétérogène)

cible encouverture RNR

Pas de transmutation des Actinides

Mineurs

Actinides Mineurs dans le combustible (mode homogène)

NaF12

NaF4

2040 2080

NaF8

NaF9

NaF1

2040 2080 2040

2040 2080

NaF2

NaF10

NaF18

2050

NaF13

2040

NaF19

2050

NaF15

2040

NaF21

2050

séparation Cs-Sr

2040

NaF3

NaF14

2040

NaF20

2050





AM : Actinides Mineurs

Vert : scenario étudié

Rouge : scenario envisagé

GF5

NaGF6

GF16

NaGF17

GF22

NaGF23

GF11

Na+ADSF7

Na+ADSF24

Na : Rapide SodiumG Rapide Gaz :

NaG : Sodium puis Gaz

Transmutation en ADS

2040 2050

Pas de séparation Cs-Sr

des scénarios guidés par l’efficacité de gestion des déchets


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

Cycle ouvert

1

0,1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000 1000000

Temps (années)

Rad

ioto

xici

té r

elat

ive

PFAM +PF

Combustible usé( Pu + AM + PF)

Minerai uranium naturel1

0,1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000 1000000

Temps (années)

Rad

ioto

xici

té r

elat

ive

PFAM +PF


Minerai uranium naturel

PFAM +PF



1

0,1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000 1000000

Temps (années)

Rad

ioto

xici

té r

elat

ive

PFAM +PF


Minerai uranium naturel1

0,1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000 1000000

Temps (années)

Rad

ioto

xici

té r

elat

ive

PFAM +PF



PFAM +PF



Extraction PuExtraction Pu+ actinides mineurs

Toxicité long terme

100%5%

Volumes 100%25%< 10%

0,0001%


2 à 3 km

Des installations de stockage des déchets potentiellement plus réduites

Avec un impact économique à quantifier

Volumes à excaver réduits d’un facteur > 2


Une économie de l’énergie nucléaire qui évoluera

Une compétitivité fondée sur de nouveaux paramètres

Enrichissement; 29 %

Conversion, transport,

stockage 4 %

Retraitement16 %

Fabrication11%

UraniumNaturel40 %

Enrichissement; 29 %

Conversion, transport,

stockage 4 %

Retraitement16 %

Fabrication11%

UraniumNaturel40 %

Coût du combustible (type EPR) Coût du combustible (type RNR)

Fabrication54%

Retraitement37%

transport, stockage

9%

Fabrication54%

Retraitement37%

transport, stockage

9%

Systèmes nucléaires du futurl’efficacité économique

un avenir incertain

un besoin de flexibilité


La flexibilité des options

Usine 130 tonnes/an

Usine 2420 tonnes/an

Usine 3450 tonnes/an

+

Ou ?

Concilier efficacité énergétique et gestion efficace des déchets

Fabrication du combustibleEnergie+transmutation en réacteur de 4ème génération

(RNR)

Retraitement

Atelier 430 tonnes/an


+


Ou ?

Pu

Am

Pu+Am

Exemple de la transmutation des Actinides Mineurs

Un découplage possible des objectifs facteur de flexibilité…

mais aussi de complexité


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

Chaque option fait l’objet d’une quantification économique

L’apport de la R&D à la flexibilité

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

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


Conclusions (1/2)

A long terme, les RNR qui permettent de multiplier par 50 à 100 l’utilisation de l’uranium sont la solution de référence

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

La disponibilité limitée du plutonium conduit à une phase transitoire avec coexistence de REL et RNR.


Conclusions (2/2)

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

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).

La R&D, un facteur de flexibilité


Merci pour votre attention

plan de l'exposé

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