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