REACTIONS NUCLEAIRES DE FISSION ET DE FUSION. Applications dans le domaine énergétique

J.Ch.Abbé

REACTIONS NUCLEAIRES DE FISSION ET DE FUSION. REACTIONS NUCLEAIRES DE FISSION ET DE FUSION. Applications dans le domaine énergétiqueApplications dans le domaine énergétique

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jcabbe@free.fr

STRUCTURE DE LA MATIERESTRUCTURE DE LA MATIERE

Matériau Matériau 1010-2-2 m m

11

Noyau Noyau 1010-14-14 m m

0.0000000000010.000000000001

AtomeAtome1010-10-10 m m

0.000000010.00000001

NucléonNucléon1010-15-15 m m

0.000000000010.00000000001

noyaunoyau

électronélectron

protonprotonneutronneutron

quarksquarks

J.Ch.Abbé

Stabilité des noyauxStabilité des noyaux

TABLEAU DE MENDELEEVTABLEAU DE MENDELEEV

ATOMES ET ISOTOPESATOMES ET ISOTOPES

LA FISSIONLA FISSION

Le COMBUSTIBLE : URANIUMLe COMBUSTIBLE : URANIUM

uranium uranium naturelnaturel 99,3 % 0,7 %

U 238 U235

uranium uranium enrichienrichi 96,5 % 3,5 %

(fissile)

LA FISSIONLA FISSION

++

EXEMPLE PRATIQUEEXEMPLE PRATIQUE

++ ENERGIEENERGIE

Uranium 235Uranium 235

L ’ atome de gauche a la même L ’ atome de gauche a la même somme de protons et de neutrons que somme de protons et de neutrons que les atomes de droite, pourtant il est plus lourd!!!les atomes de droite, pourtant il est plus lourd!!!

LA MASSE EN PLUS, C ’EST DELA MASSE EN PLUS, C ’EST DEL ’ENERGIE, MERCI EINSTEIN!L ’ENERGIE, MERCI EINSTEIN!

LA REACTION EN CHAINELA REACTION EN CHAINE

URANIUM : Réserves mondialesURANIUM : Réserves mondiales

DU MINERAI AU COMBUSTIBLEDU MINERAI AU COMBUSTIBLE

Extraction du mineraiExtraction du mineraiSéparation USéparation U

(yellow cake)(yellow cake)

EnrichissementEnrichissementPastilles UOPastilles UO22

Crayon UOCrayon UO22

Panier combustiblePanier combustible

ENRICHISSEMENTENRICHISSEMENT

PAR DIFFUSION GAZEUSE ( Eurodif, Pierrelate)

PAR CENTRIFUGATION

PAR LASER

REACTEUR NUCLEAIREREACTEUR NUCLEAIRE

Combustible CaloporteurModérateur

Réacteur TurbineEchangeur

FILIEREFILIERE

Combustible CaloporteurModérateur

FILIEREFILIERE

Graphite/ gaz U naturel Graphite CO2

Eau lourde U naturel Eau lourde Eau lourde

Eau U enrichi Eau Eau

PWR - BWR

Neutrons rapides Plutonium + Sodium

Surrégénateur Uranium

Filière

ASSEMBLAGE DU COMBUSTIBLEASSEMBLAGE DU COMBUSTIBLE

AU CŒUR DE LA CENTRALE (CUVE)AU CŒUR DE LA CENTRALE (CUVE)

Jean-Charles ABBEÉnergies pour demain

RÉACTEUR NUCLÉAIRERÉACTEUR NUCLÉAIRE

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D’UNE PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D’UNE CENTRALE NUCLEAIRECENTRALE NUCLEAIRE

Energie Energie NucléaireNucléaire

U 235U 235

RéacteurRéacteurnucléairenucléaire

GVGV

Vapeur/eauVapeur/eaucircuitcircuit

secondairesecondaire

TurbineTurbine

Energie Energie électriqueélectrique

EauEauCircuitCircuit

PrimairePrimaire

Energie Energie thermo-thermo-

dynamiquedynamique

Energie Energie calorifiquecalorifique

Energie Energie mécaniquemécanique

TurbineTurbine

AlternateurAlternateur

LE RÉACTEUR : UNE MACHINE THERMIQUELE RÉACTEUR : UNE MACHINE THERMIQUE

Barre de

pilotage

Barre de sécurité

Puissance Arrêt

Fonctionnement

CONTRÔLE DU FONCTIONNEMENT DU REACTEURCONTRÔLE DU FONCTIONNEMENT DU REACTEUR

BARRIERES ET CONTROLES DE SECURITEBARRIERES ET CONTROLES DE SECURITE

Gaines de combustibleGaines de combustible

Cuve du réacteurCuve du réacteur

Enceinte du réacteurEnceinte du réacteur

Barres de sécuritéBarres de sécurité

Adjuvant à l’eau de refroidissementAdjuvant à l’eau de refroidissement

Coefficient de température négatifCoefficient de température négatif

FORMATION DE PU 239. SURRÉGÉRATEURFORMATION DE PU 239. SURRÉGÉRATEUR

CYCLE DU COMBUSTIBLECYCLE DU COMBUSTIBLE

VOLUME DÉCHETS RADIOACTIFSVOLUME DÉCHETS RADIOACTIFS

STOCKAGE EN SURFACE DES DÉCHETS FMASTOCKAGE EN SURFACE DES DÉCHETS FMA

CENTRE DE STOCKAGE DE L’ AUBECENTRE DE STOCKAGE DE L’ AUBE

MAQUETTE D’UN LABORATOIRE SOUTERRAINMAQUETTE D’UN LABORATOIRE SOUTERRAIN

Réacteur de 3 ième Réacteur de 3 ième générationgénérationEPR : European Pressurized Reactor

Développement franco allemand des REP :

. Sécurité accrue

. Rendements améliorés (donc relativement moins de déchets)

. Durée de vie prolongée (Rentabilité accrue)

Réacteurs haute température (HTR)

Le PBMR anglo-saxon fonctionne à 900°C et les galets de combustible sont refroidis à l’hélium (sûreté accrue, puissance inférieure réacteurs classiques, moins de déchets, rentabilité inférieure)

Réacteur de 4 ième Réacteur de 4 ième générationgénération

Réacteur de 4 ième génération

Système à SELS FONDUSSystème à SELS FONDUS

RÉACTEUR HYBRIDE : Réactions sur le thoriumRÉACTEUR HYBRIDE : Réactions sur le thorium

RÉACTEUR HYBRIDE : la spallationRÉACTEUR HYBRIDE : la spallation

FILIÈRE THORIUM. RÉACTEUR HYBRIDE

FUSIONFUSION

La FUSIONLa FUSION

Les 2 atomes de gauche ont la même somme de protons et de neutrons que Les 2 atomes de gauche ont la même somme de protons et de neutrons que l ’atome de droite ; pourtant, ils sont plus lourds !!!l ’atome de droite ; pourtant, ils sont plus lourds !!!

EXEMPLE PRATIQUEEXEMPLE PRATIQUE

++ ++

DeuteriumDeuterium TritiumTritium HéliumHélium neutronneutron

++ ENERGIEENERGIE

4,992722 * mp4,992722 * mp

4,973974 * mp4,973974 * mp

dm = 0,018747 * mpdm = 0,018747 * mp

E = dm*c2 = 2,8 10E = dm*c2 = 2,8 10-12-12 J = 17,6 MeV J = 17,6 MeV

FUSIONFUSION

D + T 4He (3,14 MeV) + n (14 MeV)

D + D T (1 MeV) + p (3 MeV)

D + D 3He (0,8 MeV) + n (2,45 MeV)

D + He 4 He (3 MeV) + p (14 MeV)

REACTIONS DE FUSIONREACTIONS DE FUSION

D : deutérium ; T : tritium ; n : neutron

6 Li + n 4 He (2 MeV) + T (2,7 MeV)

J.Ch.Abbé

CRITERE DE LAWSONCRITERE DE LAWSON

DEFINIT LES CONDITIONS NECESSAIRES A L’ENTRETIEN DE LA REACTION DE FUSION

n x T x τ > 5.10 n x T x τ > 5.10 2121 mm-3-3.keV.s.keV.s

-n : densité du plasma (de l’ordre de 10-5 fois celle de l’air) en particule.m-3

-T : température du plasma (1 keV=11,6 millions de degrés)

-τ : temps de confinement (de l'ordre de la seconde sur ITER)

CONFINEMENT MAGNETIQUECONFINEMENT MAGNETIQUE

les courants électriques utilisés sont de l'ordre de la dizaine de million d'ampères (pour

générer le courant toroïdal).

TOKAMAKTOKAMAK

ITER : INTERNATIONAL THERMONUCLEAR ITER : INTERNATIONAL THERMONUCLEAR EXPERIMENTAL REACTOREXPERIMENTAL REACTOR

JET (1997) : Q=0,64

(16 MW récupérés sur 25 MW injectés).

Chauffage du plasma

• Effet joule (150 millions °)

• Injection de neutres

• Par ondes

• Par particules alpha

ITER: Q=10

500 MW produit pendant 400 secondes. 50 MW injectés

J.Ch.AbbéCOUT DU KWh SELON LE MODE DE PRODUCTIONCOUT DU KWh SELON LE MODE DE PRODUCTION

FIOULFIOUL CHARBONCHARBON NUCLEAIRENUCLEAIRE

64%64%79%79% 32%32%COMBUSTIBLECOMBUSTIBLE

EXPLOITATIONEXPLOITATION

INVESTISSEMENTINVESTISSEMENT

8%8%

13%13%

13%13%

23%23%

19%19%

49%49%

COUTCOUT DU MWh SELON LE MODE DE PRODUCTION DU MWh SELON LE MODE DE PRODUCTION

CHARBONCHARBON 32 à 33,7 €32 à 33,7 €

NUCLEAIRENUCLEAIRE 28,4 €28,4 €

GAZGAZ 35 €35 €

Source : Direction Générale Énergie et Matières Premières

Janvier 2004

J.Ch.Abbé

Eolienne Centrale Nuc Nuc / éolien

Puissance (MW) 2.5 1 400 560

Rendement (%) 33 80

Puissance eff (MW) 0.8 1 100 1 375

Jean-Charles ABBE

J.Ch.Abbé

Conséquences sanitaires de Tchernobyl (1996)Conséquences sanitaires de Tchernobyl (1996)

J.Cl.Nénot, Directeur de recherche à l ’IPSNJ.Cl.Nénot, Directeur de recherche à l ’IPSN

L ’accident de Tchernobyl est une L ’accident de Tchernobyl est une catastrophe énormecatastrophe énorme, mais , mais qui a fait et fera peu de victimesqui a fait et fera peu de victimes. Dix ans après l’accident, on . Dix ans après l’accident, on peut affirmer avec certitude que 31 personnes sont décédées peut affirmer avec certitude que 31 personnes sont décédées des suites directes de l’accident (sauveteurs), dont 28 des des suites directes de l’accident (sauveteurs), dont 28 des suites de l’irradiation, une de brûlure thermique, une de la suites de l’irradiation, une de brûlure thermique, une de la chute d’une dalle en ciment. En ce qui concerne les effets à chute d’une dalle en ciment. En ce qui concerne les effets à long terme des rayonnements, long terme des rayonnements, la seule conséquence qui ait la seule conséquence qui ait été mise en évidence est un excès de cancer de la thyroïdeété mise en évidence est un excès de cancer de la thyroïde chez l ’enfant. La conséquence principale, à savoir les effets chez l ’enfant. La conséquence principale, à savoir les effets psychologiques, est due à la catastrophe et non aux psychologiques, est due à la catastrophe et non aux rayonnements. A l’heure actuelle, on dénombre rayonnements. A l’heure actuelle, on dénombre 800 cas de 800 cas de cancers de la thyroïde chez les enfants, dont une dizaine ont cancers de la thyroïde chez les enfants, dont une dizaine ont entraîné le décèsentraîné le décès. Il pourrait y avoir quelques milliers de cas . Il pourrait y avoir quelques milliers de cas avec un taux de mortalité relativement faible (2 à 10%).avec un taux de mortalité relativement faible (2 à 10%).

J.Ch.AbbéJean-Charles ABBE

60 Milliards Construction 26 milliards 2 Charges combustible 2 Fct 1986/2000 (1 M/an) 14 Démantèlement Post exploitation Retraitement combustible Charges financières 15 milliards COÛT DE CONSTRUCTION : 30 GF La moitié à la charge de la France ; coût entièrement supporté par cinq compagnies privées d'électricité (française, italienne, allemande, belge, hollandaise)

SUPERPHENIX / COÛTSUPERPHENIX / COÛT

J.Ch.Abbé

De 86 (mise en route) à 1996 : 2 PROBLEMES TECHNI QUES* ARRET 2 ANS ATTENTE AUTORISATION 4,5 ANS FONCTIONNEMENT 4,5 ANS * DEFAUT SUR PARTI E ANNEXE

(Barillet stockage du combustible usé) * RENTREE D'AIR DANS SODIUM - 6 mois pour la purification - 4 ans 1/2 pour le redémarrage

SUPERPHENIX : FONCTIONNEMENTSUPERPHENIX : FONCTIONNEMENT

J.Ch.Abbé

Conséquences sanitaires de Tchernobyl (1996)Conséquences sanitaires de Tchernobyl (1996)

J.Cl.Nénot, Directeur de recherche à l ’IPSNJ.Cl.Nénot, Directeur de recherche à l ’IPSN

L ’accident de Tchernobyl est une L ’accident de Tchernobyl est une catastrophe énormecatastrophe énorme, mais , mais qui a fait et fera peu de victimesqui a fait et fera peu de victimes. Dix ans après l’accident, on . Dix ans après l’accident, on peut affirmer avec certitude que 31 personnes sont décédées peut affirmer avec certitude que 31 personnes sont décédées des suites directes de l’accident (sauveteurs), dont 28 des des suites directes de l’accident (sauveteurs), dont 28 des suites de l’irradiation, une de brûlure thermique, une de la suites de l’irradiation, une de brûlure thermique, une de la chute d’une dalle en ciment. En ce qui concerne les effets à chute d’une dalle en ciment. En ce qui concerne les effets à long terme des rayonnements, long terme des rayonnements, la seule conséquence qui ait la seule conséquence qui ait été mise en évidence est un excès de cancer de la thyroïdeété mise en évidence est un excès de cancer de la thyroïde chez l ’enfant. La conséquence principale, à savoir les effets chez l ’enfant. La conséquence principale, à savoir les effets psychologiques, est due à la catastrophe et non aux psychologiques, est due à la catastrophe et non aux rayonnements. A l’heure actuelle, on dénombre rayonnements. A l’heure actuelle, on dénombre 800 cas de 800 cas de cancers de la thyroïde chez les enfants, dont une dizaine ont cancers de la thyroïde chez les enfants, dont une dizaine ont entraîné le décèsentraîné le décès. Il pourrait y avoir quelques milliers de cas . Il pourrait y avoir quelques milliers de cas avec un taux de mortalité relativement faible (2 à 10%).avec un taux de mortalité relativement faible (2 à 10%).