L énergie nucléaire après Fukushima

L’énergie nucléaire après Fukushima

C. LONGUEMARE 19 octobre 2011

Fukushima : 460 + 784 + 784 + 784 + 784 + 1067 = 4.663 MW_el

fukushima 20110317

1. Introduction

2. La production d’électricité nucléaire 3. Pourquoi l’énergie nucléaire ?

4. Qu’est-ce que l’énergie ?

5. Les transformations de l’énergie 6. Les unités

7. Les sources d’énergie calorifique 8. La structure de l’atome

9. La stabilité nucléaire

10. Le programme nucléaire de 1974

11. Qu’est-ce qu’un réacteur nucléaire EDF ? 12. L’EPR et Areva

13. Qu’est-ce qu’un accident majeur ? 14. Prospective pour EDF

15. Les autres sources d’énergie

0-a

Introduction

• Un peu d’histoire des sciences

1896 Radioactivité de l’uranium (H. Becquerel) 1905 Théorie de la relativité (A. Einstein)

1910 Découverte du noyau atomique (E. Rutherford) 1919 ... du proton (E. Rutherford)

1932 ... du neutron (J. Chadwick)

1938 Fission de l’uranium (O. Hahn & F. Strassmann)

• Développement de l’énergie nucléaire pour

L’armement, Projet Manhattan en 1941-1945

La propulsion des sous-marins et navires de surface La production d’électricité à usage civil

La production d’électricté nucléaire dans le monde en 2010

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La production d’électricté nucléaire en France en 2010

Pourquoi l’énergie nucléaire ?

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Qu’est-ce que l’énergie ?

• de mouvement : énergie cinétique

E = 1

2mv²

• de position : énergie potentielle (électrique ou de pesanteur)

E = q V E = K h (K = mg)

• de l’inertie : énergie "potentielle" d’Einstein

E = c² m

• de l’état interne : énergie calorifique ou chaleur E = C T

Les transformations de l’énergie

• l’énergie ordonnée et macroscopique : travail

• l’énergie désordonnée et microscopique : chaleur

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Les unités macroscopiques

On distingue Energie et Puissance

• L’unité d’énergie macroscopique : Joule noté J E = 1

2mv² avec m = 2 kg v = 1 m/sec

• L’unité de puissance associée le Watt = Joule / sec noté W

• l’unité d’énergie en terme de puissance

Watt.heure = 3600 Joules

• Le kilo Watt heure noté kWh (coût EDF actuel ∼ 0,1 euros) kWh = 3,6 10⁶ J

• la production d’EDF en 2010

Les unités microscopiques

A l’échelle atomique

• L’unité d’énergie électron Volt noté eV

E = q V avec q = e V = 1 volt avec e = 1,6 10⁻¹⁹ Coulomb donc

eV = 1,6 10⁻¹⁹J

• La relation microscopique / macroscopique Le nombre d’Avogadro

N = 6,0 10²³ En terme d’énergie

1 eV → 96,0 kJ → 23,0 kCal → 26,7 Wh

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Les sources d’énergie calorifique

• Les réactions chimiques de combustion

C + O2 → CO2 + 4 eV 385 kJ/mol H2 + ¹₂O2 → H2O + 3 eV 286 kJ/mol CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + 10 eV 890 kJ/mol

• Les réactions nucléaires : Ur(235) : (abondance 0,72 %)

n + Ur(235) → A^∗ + B^∗ + 2,5 n + 200 MeV 19,2 10⁹ kJ/mol MeV = 1000.000 eV

A^∗ et B^∗ sont des produits de fission radioactifs 1,5 n produiront des noyaux radioactifs d’activation

n + C → C^∗

Le pouvoir calorifique

En pratique : Le pouvoir calorifique de combustibles usuels

combustible en kg en kJ en kWh fioul lourd 40 000 11,13

essence 44 000 12,25

gaz de pétrole 46 000 12,8 gaz naturel 47 200 13,1

charbon 32 000 8,9

brique de bois 16 800 4,67 bois (20% humide) 13 800 3,83 Le pouvoir calorifique de l’uranium naturel

Ur naturel /kg 580 10⁹ 161 10⁶

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La structure de l’atome

• Le noyau atomique est composé de Z protons et N neutrons

• L’atome est neutre : le noyau est enveloppé de Z électrons

La stabilité nucléaire

• l’interaction nucléaire : N = Z

• l’électromagnétique : Z faible devant N

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Les éléments lourds et la fission

n + Ur(235) → A^∗ + B^∗ + 2,5 n + 200 MeV

Le programme nucléaire de 1974

Le contexte politique

• Guerre du Kippour (octobre 1973) et embargo de L’OPEP

• mort de G Pompidou (avril 1974)

élection de V. Giscard d’E. (mai 1974)

• programme Messmer-Chirac

publication du rapport d’Ornano ( décembre 1974 )

• EDF obtient du gouvernement la construction de 170 GW sur 40 sites – indépendance de la France et prix du pétrole

• L’opposition au nucléaire ne peut rien, les arguments avancés : – la sécurité

– licence américaine Westinghouse – les déchets

– la concentration de la production – le démantellement

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Qu’est-ce qu’un réacteur nucléaire EDF ?

• usine : production d’énergie électrique à partir de l’uranium

• Les réacteurs sont dits de 2ième génération

• La puissance est 1 GW électrique soit 3 GW thermiques consommation : ∼ 5 g Ur (nat) par seconde

• Le circuit primaire : 300^o C et 150 bars

• Le coeur contient 100 tonnes d’Uranium enrichi à 3%

• Le renouvellement du coeur : par partie tous les ans

• La production annuelle maximale : 10 milliards kWh gain pour EDF : 1 milliard d’euros (0,1 euro/kWh)

• deux types : BWR (eau bouillante) ou PWR (eau pressurisée)

L’EPR et Areva

• L’EPR : dit de 3ième génération

puissance : 1,6 GW électrique (5 GW thermique)

• Chantiers d’Areva :

– Olkiluoto, en Finlande (décembre 2000) fin 2009 – Flamanville (décembre 2003) fin 2012

– Bellefonte aux US (septembre 2011)

• temps de construction de l’EPR 9 ans

• coût ∼ 6 milliards d’euros

• production maximale par an ∼ 14 milliards de kWh

• AREVA : Groupe public (détenu à 97% par l’Etat)

L’activité se répartit entre les mines d’uranium, l’enrichissement, la fabrication du com- bustible, les réacteurs, les services, le traitement, le recyclage des déchets nucléaires enfin les énergies renouvelables.

GW = million de kW

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Qu’est-ce qu’un accident majeur

Perte des capacités de refroidissement du coeur (accident grave sur le circuit primaire)

1. la réaction de fission n’est pas arrêtée, la puissance thermique est maximum : 3 GW

la température monte rapidement à 1000^◦

on dispose qq minutes avant la fusion ∼ 2000^◦

2. la réaction de fission est arrêtée et la puissance thermique résiduelle est de 7% à cause de la radioactivité : 200 MW

On dispose d’un peu de temps (60 mn) avant la fusion

3. la réaction de fission est arrêtée et le système de secours refroidit le coeur.

Il faut maintenir le refroidissement pendant plusieurs mois .

Prospectives pour EDF

• La production nucléaire actuelle d’EDF 425 milliards de kWh

• Les centrales ont été construites entre 75-85 pour 40 ans (ou 60 ans ?)

• L’arrêt des réacteurs pourrait intervenir entre 2015-2025 (ou entre 2035-2045)

• démantellement de ces réacteurs à terme (+20 ans)

• gestion des déchets nucléaires de 40 ans de production (ou 60 ans) par Areva.

• construction de nouvelles centrales plusieurs par an à partir de 2015 ? ?

• ouverture de nouveaux sites passage de 20 actuels à 40.

• contexte international :

désaffection du nucléaire au Japon et en Allemagne

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Les autres sources d’énergie

• fusion nucléaire contrôlée : + 50 ans ou jamais

• solaire photovoltaïque : 0,1 kW_el par m² en plein ensoleillement,

∼ 500 kW_elh/m²/an soit 10 km² pour 1 GW

• La géothermie, quand c’est possible

Gradient géothermique +1^◦ C par 30 m (radiactivité naturelle) soit 3000 m pour +100^◦C

• Les énergies fossiles : pétrole, charbon, gaz nat ? la consommation croît mais les réserves sont finies.

• Eolienne : 1 MW_el par éolienne soit 1000 éoliennes pour 1 GW

• Le bois : pour une petite part.

• Nécessité absolue des économies d’énergie :

⇒ baisse de la consommation !

Les énergies fossiles

d’après BP

dans le monde en 2010

énergie (tep) production réserves R/P (an) pétrole 4,3 10⁹ 189 10⁹ 43 charbon 3,7 10⁹ 860 10⁹ 232 gaz naturel 2,8 10⁹ 169 10⁹ 60

Equivalences :

tep = 1,16 10³ m³ de gaz = 7,33 barils de pétrole = 1,5 tec

tep = 11,7 10³ kWh et 10³ kWh_e = 18 g Ur_nat ∼ 100 euros

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Conclusions :

• Nécessité d’un nouveau débat sur l’avenir énergétique.

1974 → 2014

• EDF doit définir ses propositions et un programme à 10 ans : – durée d’exploitation des centrales : 40 ou 60 ans ?

– construction de nouveaux réacteurs ? quand, où et à quel rythme ?

– développement d’autres sources d’énergie , lesquelles ?

• Le choix du nucléaire est risqué : Tchernobyl, Fukushima...

gestion des déchets ?

• Le choix des énergies renouvelables n’a pas de sens sans des économies d’énergie.

merci de votre attention