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L’énergie Nucléaireet les déchets
Exploitation des ressources énergétiques = 450.1018 joules /anEssentiellement basée sur les énergies fossiles
Augmentation de CO2, CH4 et NO2 = changement du climat augmentation de la température moyenne
Quelles alternatives?
1)Fission nucléaire2)Biomasse3)Énergie solaire4)Énergie éolienne
Actuellement seule l ’énergie nucléaire est largement exploitée = 17% de L’électricité mondiale dans 30 pays
L’énergie nucléaire
A-le phénomène de radioactivité
Formation de la Terre 4,6 Ma = élements chimiques stables et instables
Rayons peu pénétrantsRayons alphaEmission d’un noyau d’HePortée dans l’air = 2,5 à 8,5 cmArrêtés par une feuille de papier Ou la surface externe de la peau
Rayons un peu plus pénétrantsRayons betaEmission d’un électronPortée dans l’air = quelques mTraverse la couche supérieureDe la peauArrêtés par une feuille de Al ou une vitre
Rayons très pénétrantsRayons gammaNature électromagnétiqueArrêtés seulement par de Grandes épaisseurs de matéraiux(béton, plomb…)
Les trois types de rayonnements radioactifs
Les rayonnements alpha et beta sont déviéspar des courants électriques ou magnétiques, Contrairement aux rayons gamma
B-les sources de radioactivité
La radioactivité d'origine naturelle :
-rayonnements cosmiques = création permanente 14C dans l’atmosphère
-Création de 222Rn (gaz dans atmosphère) à partir du 226Ra provenant de la désintégration de 238U (écorce terrestre)
-Substances radioactives naturelles dans le sol (rayonnements telluriques) 238U (4470 Ma demi-vie), 235U, 14C, 226Ra
-Aliments absorbés 40K (1300 Ma demi-vie)
Ex: Granite = 1000 becquerels/Kg
Corps humain de 70Kg = 8000 becquerels (5000 liés au 40K des os)
Lait = 80 becquerels/l
Eau de mer = 10 becquerels/l
La radioactivité = artificielle, provient d’applications créées par l'homme (industries, médecine, etc.).
Création des éléments = réacteur nucléaire
Ex: 60Co, 192Ir : sources pour les gammagraphies/radiothérapie
Elements créés dans les centrales nucléaires Ex: 137Cs, 90Sr (30 ans de demi-vie)… forment les déchets nucléaires non utilisables
Aphrodite accroupie, antiquitésgrecques (Louvre).Gammagraphie permettant de visualiser les points d’attache métalliques sur cette statue de marbre@CEA
Imagerie médicale
C-la radioactivité et la santé
D- utilisation de la radioactivité dans la production d’énergie électrique
Uranium = atome le plus lourd présent naturellement sur Terre (92 protons) 2 principaux isotopes de l'uranium sont 235U et 238U
238U majoritaire
238U ne peut fissionner dans les réacteurs nucléaires
235U est fissile
proportion naturelle de 235U = 0,71 % (238U = 99,2745 %; 234U = 0,0055%)t1/2 238U = 4470 Mat1/2 235U = 707 Ma
Sous l’action des neutrons, il subit le phénomène de fissionRéaction exploitée dans les centrales nucléaires
1) Réaction de fission nucléaire
Un neutron sans charge électrique, s'approche du noyau N’est pas repoussé par les forces électriques
Neutron pénètre à l'intérieur de ce noyau = fission du noyau La réaction de fission nucléaire s'accompagne de l'émission de nouveaux neutrons et d'un dégagement d'énergie
Tous les nucléides formés ont un nombre de masse approchant A = 95 (Brome, Krypton, Zirconium…)Et A’ = 139 (Xénon, Césium, Baryum…)
Nombre de masse = protons + neutrons
Nombre de Masse = 118 le moins probable
La formation du plutonium
Neutrons
2) La réaction en chaîne
Des deux ou trois neutrons produits, certains sont perdus ou absorbés dans la matière, d'autres rencontrent d’autres noyaux d'uranium et causent de nouvelles fissions =réaction en chaîne
Cette réaction en chaîne a lieu dans le cœur du réacteur. Elle y est entretenue et stabilisée grâce à un réglage fin du nombre de neutrons absorbés.
La réaction de fission en chaîne est contrôlée en descendant etremontant des barres de Commande (bore) qui peuvent absorber les neutrons en excès
L’eau est chauffée dans le circuit primaire et chauffe l’eau du circuit secondaire qui est transformée en vapeur qui fait tourner la turbine quientraîne l’alternateur qui produit l’électricité
3) Le parc français
20aine de sites
Puissance totale du parc = 63 Gwe
Renouvellement au delà de 40 ans = 2020
Réacteurs de génération III
EPR
Les différentes étapes du traitement du minerai
Minerai = concentré sur lieu d'extraction (installation implantée au plus près de la mine)
Roches concassées et finement broyées
Uranium est extrait par différentes opérations chimiques
Concentré fabriqué = pâte appelée "yellow cake"Contient environ 75 % d'uranium
Mine d’UraniumFrançaise près deLimoges, Haute vienne Restauration du site après fermeture
Proportion d'atomes 235U dans l'uranium naturel = 0,7 %.
Les réacteurs nucléaires nécessitent un combustible,contenant entre 3 et 5 % d’ 235U
Enrichissement de l'uranium naturel
Le procédé d'enrichissement le plus utilisé est la "diffusion gazeuse"
Après enrichissement, UF6 est transformé en oxyde d'uranium (UO2).
"yellow cake" = transformation chimique pour devenir un gaz : UF6
UO2 comprimé en pastilles (cuites à hte T)
Une pastille = cylindre de 13,5mm H poids 7 grammes = une tonne de charbon
Ces pastilles placées dans des tubes (ou gaines) de 4 m en alliage de zircalloy àextrémités bouchées constituent
les "crayons" de combustibles
Les "crayons" sont regroupés en "fagots" de section carrée, appelés assemblages.
Disposés selon une géométrie précise, les assemblages de combustible forment le cœur du réacteur où ils séjournent 3 ou 4 ans.
Durant cette période :
- diminution de la teneur en uranium 235 - formation de produits de fission perturbant la réaction en chaîne
Une fois "usé" le combustible est retiré du cœur du réacteur et remplacé par du combustible neuf
Un réacteur du parc français consomme ainsi environ 27 tonnes /and'uranium enrichi
Le retraitement
traitement et recyclage
Les éléments radioactifs utilisés sont 235U et 239Pu (fissiles)
USA, cycle du « nucléaire » ouvert : pas de récupération de 235U restant et de 239Pu nouvellement créé (prix bas de l’uranium)
« Déchets » entreposé directement en site géologique
En France (nucléaire = principal source pour électricité):
Combustible "usé" contient 97 % d'uranium et de plutonium, qui sont récupérés et recyclés
A La Hague, les crayons de combustibles usés sont cisaillés, et dissous dans l'acide nitrique
Cisaillement des gaines en zircalloy
Le tributyl-phosphate (TBP) concentre l'uranium et le plutonium (procédéPurex)
L'uranium récupéré peut à nouveau être enrichi suit une voie analogue à celle du combustible ordinaire
Le plutonium = fabrication de nouveaux combustibles mélange d'oxyde d'uranium et d'oxyde de plutonium, "MOX" (de l'anglais "mixed oxides")
Utilisé dans un tiers des réacteurs à eau pressurisée (REP) français
Produits de fission = éléments radioactifs = seuls vrais déchets ultimes
Vitrifiés et entreposés comme déchets radioactifs
Np = 3.4t/anAm = 2.7 t/an sur les 30 paysCm = 335 kg/an
Séparation des morceaux de gaine non dissous (coques)
puis compactage97%
Centrale nucléaire
démantèlement des assemblages combustibles
Combustible usé retiré après 3 ou 4 ans
Entreposage piscine 3 ans
Cisaillage des crayons de combustible et des gaines
Dissolution dans l'acide nitrique concentré et chaud
Solution nitrique
Séparation Uranium Plutonium (procédé PUREX utilisant le tributylphosphate).
Solution haute activité
3%
Produits de fission
U, Pu
Entreposage intermédiaire 1 an
calcinationfritte de verre
Déchet vitrifié dans des conteneurs en acier inoxydable.
Entreposage provisoire dans des puits verticaux avec circulation forcée d'air puis convection naturelle.
30 ans.
Stockage réversible ou irréversible en formation géologique profonde. > 1 000 000 ans
Séparation pousée et transmutation Entreposage en surface de très
longue durée en attente d'une solution meilleure.
Produits de fission à vie courte stockés en surface.
cycle
Gestion des déchets
Combustible usé
Les déchets nucléaires
Qu’est ce qu’un déchet nucléaire?
Selon AIEA (Agence Internationale de l’Energie Atomique)
« Toute matière pour laquelle aucune utilisation n’est prévue et qui contient des radionucléides en concentration supérieure aux valeurs que les autorités compétentes considèrent comme admissibles dans des matériaux propres à une utilisation sans contrôle »
Comparaison des différents types de
déchets
Matières conditionnées = radionucléides confinés jusqu’ à extinctionde radioactivité
En France (par habitant et par an) = 1kg dont 5g de déchetsde haute activité à vie longue
Les différents types de déchets :
-TFA = très faible activité-FA = faible activité-MA = moyenne activité FMA-HA = haute activité HAVL (haute activité à vie longue)
Vie courte < 30 ans<vie longue
Ordre de grandeur des volumes
Quelques chiffres
Les déchets de très faible activité (TFA)Compaction
Les TFA(1 à 100 Bq/g)
Démantèlement des installations nucléaires : 250 000m3 d’ici 2020 et 1 à 2 Millions m3 au total
Stockage au centre ANDRA de Morvilliers (Aube, 10) depuis 2004 sur 45 hectares
Alvéoles (6 en 2006) : 174m, 26m de large et 7,5m de profondeur
Capacité de stockage : 650 000m3
1ères Centrales démantelées : Saint Laurent des Eaux (Orléans, Chinon) et Brennilis (Finistère)
Les Déchets de faible et moyenne activité (FMA)
Colis à 15% de déchets ayant été au contact de matières radioactivesEt 85% d’enrobage (béton, mortier, résine,bitume)Colis métallique ou en béton suivant volume et radioactivité
Stockage en case de béton armé de 25m de côté et 8m de hauteurRemplies, les cases sont recouvertes d’une couche de polyuréthaneImperméableCes cases sont surveillées par des galeries souterraines (Réseau Séparatif Gravitaire Enterré (RSGE)
Centre de stockage de l'Aube
Centre de stockage de la Manche
Les déchets de Haute activité à vie longueHAVL
« Loi Bataille »
Pilotage CEA
Pilotage ANDRA
Pilotage CEA
La transmutation
Modification des noyaux des éléments à vie longue = transformation en corps stables ou à durée de vie plus courte et à moindre radiotoxicité
Mise en œuvre : bombardement des noyaux cible avec des particulesElémentaires, é, protons (trop faible rendement), neutrons
Ex :transmutation du 99Tc (émetteur beta et 210 000 ans de période)avec des neutrons
99Tc + n = 100Tc (beta) = 100Ru élément stable
Mais difficile de prévoir l’évolution de la réaction en grand volumeRecherche en plein essor, coût élevé
L’entreposage et le conditionnement
Entreposage du combustible usé
Le verre
Réalisation du verre par fusion d’oxydes et trempe du liquide
Une compositioncomplexe
Entreposage provisoire des déchets vitrifiés
de haute activité
Les sites de stockageproposés pour les déchets
de haute activité
Bures
Stockage en profondeur
Le contrôle législatif
La loi du 28 Juin 2006 Les trois axes de la loi de 1991 sont conservés
« Le texte prévoit de stocker les déchets les plus dangereux en couche géologique profonde et organise la création d'un centre de stockage réversible »
« La loi confirme la réduction de la quantité et de la nocivité des déchets radioactifs par le traitement des combustibles usés et le traitement et le conditionnement des déchets radioactifs »
« Le texte prévoit de continuer les recherches sur la"séparation-transmutation" des éléments radioactifs à vie longue et l'entreposage à long terme (100 à 300 ans au lieu des 50 à 100 ans actuels) »
La loi confirme l'interdiction de stocker en France des déchets nucléaires étrangers
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