14 octobre 2009Association AMOPA1 Lénergie nucléaire en questions Jean-Claude BRAUN Professeur Honoraire ENSEM-INPL

14 octobre 2009 Association AMOPA 1

L’énergie nucléaireen questions

Jean-Claude BRAUNProfesseur Honoraire ENSEM-INPL

Les questions courantes : Comment produit-on l’énergie nucléaire?

• L’énergie nucléaire est-elle intéressante?

• L’énergie nucléaire énergie propre?

• Tchernobyl est-il probable en France?

• les tours de refroidissement dangereuses?

• Stocke-t-on le plutonium sans l’utiliser?

• L’enfouissement des déchets est-il à craindre?

• Que sont les réacteurs EPR? les surgénérateurs ?• La fusion thermonucléaire a-t-elle des atouts?

• La place du nucléaire face aux autres énergies ?14 octobre 2009 Association AMOPA 2


Question n°1Comment produit-on de l’énergie

à partir du noyau?

• On casse des noyaux atomiques lourds (235U et 239Pu, appelés « fissiles ») par des neutrons: c’est le processus de fission (réacteurs actuels type REP)

• On fusionne des noyaux atomiques légers (1H, 2H, 3H, 3He): c’est la fusion (réacteurs futurs)


La fission


La fission

• On casse des noyaux atomiques lourds (235U ou 239Pu), par des neutrons

• L’uranium naturel contient 99,3% d’238U et 0,7% d’235U; le 239Pu n’existe pas naturellement

• L’ 238U n’est pas fissile, mais « fertile »: bombardé par des neutrons, il devient 239Pu


La fusion


La fusion thermonucléaire• On fusionne des noyaux atomiques légers

(1H, 2H, 3H, 3He)• Condition: porter le milieu réactionnel à

des millions de degrés• La fusion génère alors 400 fois plus

d’énergie que son chauffage n’en a consommée

Rq: 1H constitue 99,98% de l’hydrogène naturel, 0,02% d’2H, 3H n’existe quasiment pas dans la nature, mais peut être produit à partir du lithium naturel; 3He non plus, mais peut provenir d’une première réaction de fusion.


Question n°2 L’énergie nucléaire est-elle si intéressante que cela?

Si on la compare aux énergies traditionnelles, les différences sont considérables quant à la quantité d’énergie produite:


Comparaison:énergie libérée par

La chute d’une molécule d’eau

tombant de 500m 1La combustion d’un atome de carbone 4000La fission du noyau d’un atome d’uranium 180.109

La fusion de 2 noyaux D+T 18.109


Autre comparaison

Combustion d’1 kg de charbon 9 kWh

Fission d’1 kg d’uranium 24.106 kWh

Fusion d’1 kg d’hydrogène

D+T

94.106 kWh


Question n°3 Peut-on se passer du nucléaire?

• C’est la seule énergie de masse connue à ce jour qui ne produise pas de CO2

• C’est la seule remplaçante sérieuse des énergies fossiles


Pour fournir une puissance électrique de 1MW pendant un an, la consommation de «combustible»

est de:• 2 200 tonnes de charbon dans une centrale thermique• 1400 tonnes de pétrole dans une centrale thermique • 8 millions de tonnes d’eau pour une centrale

hydraulique sous 500 mètres de chute • 27 kg d’uranium enrichi dans une centrale nucléaire• 600 g de deutérium/tritium dans un réacteur à

fusion


Question n°4: L’énergie nucléaire peut-elle être qualifiée de propre?

La production de 1000 MW pendant 1 an laisse en déchets :• Pour une centrale à charbon :

– 350.000 m3 de cendres– 6000 tonnes de poussières– 8 millions de tonnes de CO2

• Pour une centrale nucléaire :– 120 m3 de déchets faiblement radioactifs à vie courte– 5 m3 de déchets modérément radioactifs à vie longue– 2,5 m3 de déchets de haute activité vitrifiés, à vie longue

La gestion des déchets est simplifiée par leur faible volume


La crainte des radiations

• La radioactivité émise à l’extérieur par une centrale nucléaire est de l’ordre du dixième de celle d’une centrale à charbon*, et inférieure

au centième de la radioactivité naturelle.

* la combustion du charbon libère les éléments radioactifs naturels qu’il contient : l’uranium et ses descendants, le

thorium et ses descendants, et le potassium.


L’omniprésence de la radioactivité

• Le soleil est un « feu » nucléaire continuel, qui émet une radioactivité intense

• Le centre de la terre est le siège de réactions nucléaires nombreuses (magma en fusion)

• Beaucoup de minerais sont radioactifs (U, Th, Ac)

• L’homme est lui-même radioactif (Ra et K)


Bilan de radioactivité pour l’homme

Chaque individu reçoit en moyenne 10000 désintégrations par seconde:

- 2300 proviennent de l’air et du sol

- 2800 des rayons cosmiques

- 2300 du radium contenu dans le corps

- 2600 du potassium des muscles


Question n°5Va-t-on vers un épuisement

rapide des mines d’uranium?

• On peut couvrir les besoins du 21ème siècle et au-delà

• Si on met en place des surgénérateurs, on peut couvrir plusieurs milliers d’années


Réserves mondiales d’uranium


Question n°6Un accident type Tchernobyl

est-il probable en France?• Les réacteurs occidentaux sont

d’une autre conception pour leur fonctionnement et pour leur sûreté que le RBMK russe

• Le risque zéro n’existe pas


Les causes de l’accident de Tchernobyl

• Fautes de conception :– instable en dessous de 25% de sa puissance, tendance à

l’emballement– descente trop lente des barres de contrôle (20 s au lieu de 2 s sur

REP)– effet accélérateur des embouts de carbone des barres de contrôle– modérateur graphite inflammable (a causé l’incendie)– absence d’enceinte de confinement

• Fautes d ’exploitation :– 6 erreurs humaines : 3 mises hors-circuit volontaires des

sécurités, 2 violations de consigne, 1 non-respect de procédure d’essai.

– Si une seule de ces erreurs avait été évitée, il n ’y aurait pas eu explosion


La crainte des accidents• Les accidents majeurs, tous causés par des fautes humaines,

n’ont pas eu d’effets sur la santé pour les réacteurs occidentaux (accident TMI en 1979, niveau 5 sur échelle INES).

• Celui de Tchernobyl a été dramatique sur un réacteur RBMK en 1986, instable par conception, qui ne respectait pas les critères de sûreté occidentaux.(accident niveau 7 échelle INES)

• Depuis ces accidents, les principes de sûreté qui prévalaient en occident sont acceptés mondialement, et des outils crédibles d’évaluation de sûreté ont vu le jour.

• Le bilan de tous les autres réacteurs dans le monde depuis 20 ans ne fait apparaître aucun accident majeur (27 incidents en France, tous inférieurs au niveau 5 INES)


Question n°7: les tours de refroidissement

sont-elles dangereuses?

• La vapeur s’échappant des tours de refroidissement serait-elle chargée de radioactivité, et donc génératrice de nuages toxiques?


Les différents circuits d’eau dans un réacteur REP

L’eau qui devient vapeur dans une tour appartient au circuit tertiaire, seule l’eau du circuit primaire est légèrement radioactive


Question n°8Est-il vrai qu’on stocke

le plutonium sans l’utiliser?

• Le plutonium n’existe pas naturellement

• L’238U des centrales se transforme donc en 239Pu

• On le tire des déchets de combustible

• Il entre dans la fabrication du combustible MOX

Le combustible MOX• C’est un Mélange d’Oxydes :

- 6 à 7 % de Plutonium, tiré des déchets de combustible, sous forme d’oxyde PuO2

- 93% d’Uranium appauvri en U, sous forme d’oxyde UO2

• Plus coûteux que l’Uranium enrichi, mais il consomme le Plutonium

• Utilisé depuis 22 ans dans 20 réacteurs en France



Question n°9L’enfouissement des déchets radioactifs est-il à craindre?

• Les études menées dans la Meuse montrent la très grande stabilité du site profondeur (500m)

• Le site d’OKLO au Gabon apporte des informations intéressantes :


Les réacteurs naturels d’OKLO au Gabon

• Un site découvert en 1972, dans un gisement de minerai d’uranium

• Des réactions de fission naturelle il y a 2 milliards d’années

• 16 foyers de réaction pendant des milliers d’années

• Un parallélisme frappant entre la composition du minerai découvert et le combustible épuisé de nos réacteurs industriels

• Un champ expérimental exceptionnel pour l’étude de l’enfouissement !


Les réacteurs naturels d’OKLO au Gabon


Question n°10La fin de vie d’un réacteur

pose-t-il problème?

• L’arrêt intervient après 30 ou 40 ans de fonctionnement

• La procédure suivant l’arrêt s’appelle le démantèlement


Les 3 étapes du démantèlement d’une centrale

• Arrêt, déchargement du combustible (stocké sur place), équipements et bâtiments non nucléaires démontés (2 à 3 ans)

• Démontage et décontaminage des circuits auxiliaires, conditionnement et transfert des déchets radioactifs (4 à 5 ans)

• Pause de 40 ans (décroissance), démontage du reste des installations (4 à 5 ans), pour libération totale et inconditionnelle du site.


Question n°11:Que sont les réacteurs EPR ?

• Evolution de la filière actuelle REP vers une 3ème génération de réacteurs

• 1650 MW contre 1450 actuellement

• Uranium enrichi à 5% et MOX

• +22% d’électricité/réacteur actuel à quantité de combustible égale

• -20% de déchets radioactifs


Sûreté des EPR

• Enceinte de confinement renforcée (2 murs de 1,3 m d’épaisseur)

• Récupérateur en matériau réfractaire en cas de fusion du cœur

• 4 systèmes de refroidissement en cas d’arrêt d’urgence, indépendants et redondants


Question n°12:Qu’est-ce qu’un surgénérateur?

• Réacteur de 4ème génération qui produit plus de combustible qu’il n’en consomme (environ 2 fois plus)

• Le cœur fissile est entouré d’une couverture de matériau fertile (238U devenant 239Pu ou 232Th devenant 233U)

• Permet de multiplier jusqu’à 100 fois la quantité d’électricité produite par une même quantité de minerai


Types de surgénérateurs

• à neutrons rapides, les RNR, type Phénix et Superphénix, à sodium fondu

• à neutrons thermiques, les HTR ou VHTR, à sels fondus ou à hélium

=> Des projets sont envisagés à l’horizon 2030/2035


Question n° 13 La fusion thermonucléaire

a-t-elle des atouts?• Un combustible très répandu, quasi-

inépuisable, équitablement réparti sur la planète,

• Des cendres peu dangereuses : de l’hélium et des déchets peu radioactifs (tritium)

• Un inconvénient : une technologie très complexe à mettre en œuvre


Quelques ordres de grandeurpour la fusion

• Dans un verre d’eau, on pourra tirer autant d’énergie par fusion D+D que dans 70 kg de charbon!

• Et dans un verre d’eau lourde: 45 t de charbon!

• On pourrait couvrir la consommation annuelle mondiale (1014 kWh) avec 12 millions de m3 d’eau naturelle (le Rhône pendant 20 mn sous le pont d’Avignon)


Question n°14 Quand apparaîtront les

premiers réacteurs à fusion?

• Faisabilité: projet ITER (à Cadarache), réacteur de 1000 MW, de 2015 à 2030

• Prototype: projet DEMO, réacteur de 6000 MW, de 2025 à 2050

• Réacteurs industriels: au-delà de 2050


Question n°15 Quels sont les coûts comparés

des kWh produits?• Réacteurs actuels : coût total ~ 3 c€/kWh

(y compris tous les coûts externes, dont la gestion des déchets et le démantèlement, chiffre DGEMP conforté par une étude finlandaise récente)

• Fusion : non encore évalué• Centrale hydraulique: 2,2 c€/kWh• Centrale thermique gaz : 4 c€/kWh• Centrale thermique charbon : 5 c€/kWh


La réalité des coûts du nucléaire pour un réacteur REP de 1300 MW

• Construction : 5 000 M€• Exploitation sur 40 ans : 5 000 M€• Démantèlement : 350 M€

-----------------• Au total : 10 35O M€

• Recettes totales de vente du courant: environ 35 000 M€


Question n°16Quelle est la place actuelle du

nucléaire face aux autres énergies ?

• L’énergie nucléaire intervient essentiellement dans la production d’électricité

• Elle n’intervient dans les transports que maritimes

• Elle pourrait intervenir dans le chauffage urbain…


Le nucléaire dans le monde

Production mondiale d'énergie primaire en 2003Biomasse et

déchets10,7%

Solaire-éolien-géothermie

0,5%Gaz

20,9%

Pétrole35,3%

Charbon24,1%

Nucléaire6,4%

Hydroélec.2,1%


Le nucléaire en France

Production France d'énergie primaire en 2007

Charbon5%


0,1%Hydroélec.

2%

Biomasse et déchets

4,3%

Nucléaire41,5%

Pétrole33%

Gaz14%


Production d’électricité en France

Production France d'électricité en 2007

Charbon4%


0,2%Hydroélec.11,8%

Biomasse et déchets

2,0%

Nucléaire78%

Pétrole1%

Gaz3,0%


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14 octobre 2009Association AMOPA1 Lénergie nucléaire en questions Jean-Claude BRAUN Professeur Honoraire ENSEM-INPL