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Energie nucléaire : vers des réacteurs de génération IV

Ernest H. MUND

Directeur de recherches du FNRS

ULB - UCL

Association Universitaire pour l’Environnement

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Plan

• Introduction • Energie nucléaire et développement durable• Les réacteurs “Generation III” (2000--2020)• L’initiative “Generation IV” • Conclusion

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World Consumption of Primary Energy 1850-2000-2100 (Gtoe) WEC98

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Source : J. Laherrère

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Quelles stratégies à long terme ?

• Economies d’énergie, potentiel limité sauf économies forcées impliquant un changement de société. L’opinion publique y est-elle prête ?

• Energies renouvelables (éolien, solaire, biomasse), potentiel limité pour des raisons physiques.

• Charbon, impact sur le climat (effet de serre)

• Nucléaire (y compris la fusion),

problème : acceptation par l’opinion publique ?

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Generation IIGeneration I

Generation III

Generation IV

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Le nucléaire dans le monde (2002)

• 441 centrales dans 31 pays (Generation II et III),

• 87 % réacteurs LWR,

• 360 GWe puissance installée,

• 17% de la production mondiale d’électricité,

• 3 groupes de pays :

Corée, Japon, France, Russie, … USA Allemagne, Belgique, Pays-Bas, Suède, Suisse, ...

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Nucléaire et développement durable : les atouts

• Préservation des ressources fossiles,

• Réserves (U-Th) bien réparties et abondantes,

• Pas d’autres usages pour U- Th,

• Pas de rejets de gaz à effet de serre,

• Volume minime de déchets,

• Coût U : faible % du coût du kWh, stabilité du prix de l ’électricité

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NUCLEAR WIND PHOTOVOLTAIC HYDRO BIOMASS CCUSC

greenhouse gas emissions

related to electricity

generation

COASTINLAND19962005PUMPMICROWOODSLUDGE

ANNUAL USE

yearkW

kWh

peak

el 760030001000750800100050006000500065005500

LIFE [year] 40 20 20 20 25 40 40 15 30 30 30

el

eqCO

kWh

g2

INVESTMENTGOODS (#)

FUELCYCLE

COMBUSTION

(#)construction + maintenance + demolition

7 9 25 130 60 8 15 55 540 400 850

Responsabilité des centrales électriques en matière d’émission C02-eq “Life Cycle” (source: EI, KUL)

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• Le risque d’accident majeur (Tchernobyl, TMI, …)~10.000 réacteur.an de fonctionnement (LWR et GCR)

• Le risque de prolifération, Le risque existe indépendamment des réacteurs LWR

• La question des déchets. Il est faux de dire que la question des déchets n’a pas de solution technique.

Le problème est de nature “éthique”.

Nucléaire et développement durable : les risques

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Pf : fréquence de fusion du coeur (par réacteur et par an)

Pf = 1 / (0,8 9500)

~ 1,5 10-4 / réacteur.an

Wash-1400 (1975)N. Rasmussen

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Les déchets radioactifs en Belgique (source : Rapport AMPERE)

Catégorie Secteur Production courante Démantèlement TOTAL

m³ m³ m³

RI FR RI FR RI FR

A Electronucléaire 17000 17000 27000 27000 44000 44000

Recherche et médecine 2300 2300 0 0 2300 2300

Passifs 3300 3300 9000 9000 12300 12300

Gestion NIRAS-ONDRAF 0 0 1400 1400 1400 1400

TOTAL A 22600 22600 37400 37400 60000 60000

B Tous 6100 6100 1800 1800 7900 7900

C Tous 2100 5100 0 0 2100 5100

TOTAL 30800 33800 39200 39200 70000 73000

RI = Retraitement intégral

FR = Fin du retraitement

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Concept de Stockage dans l’argile de Boom (SAFIR-2)

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Stockage dans l’argile de Boom - Galerie de dépot

Source :

SAFIR-2

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Evolution du débit de dose lié aux déchets vitrifiés enfouis dans l’argile de Boom (SAFIR-2)

Valeur max. :

10 Sv/an dans

100.000 ans

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L’énergie nucléaire aux USA

• Absence de commande de centrale depuis 1979,• Difficulté d’obtention du permis d’exploitation (10CFR50), 10 à 15 ans,• Mauvaise rentabilité des investissements,

• Consolidation des producteurs d’électricité (“utilities”),• Amélioration régulière des indices de qualité de l’exploitation des centrales :

facteur de charge : 61% (1973) 89% (2000)dose moy. ind. (rem.an-1) : 0.94 (1973) 0.17 (2000)

Accident de TMI (1979)

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USA : Nombre de centrales en fonctionnement (1973-2000)

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USA : production d’électricité nucléaire (1973-2000)

Generation II

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Pour relancer le nucléaire aux USA :

• URD (Utility Requirements Document) (1985)une compilation de caractéristiques requises

pour les centrales “Generation III”

• Plan stratégique du NPOC (1990-2000)(Nuclear Power Overight Committee)

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Le plan stratégique du NPOC (1990-2000)

Ce plan propose :

Une modification de la législation relative au licensing, L’octroi par la NRC de certificat de conception standard. La possibilité pour les utilities d’obtenir un permis de site

avant décision de construction (ESP) Encourager la standardisation des équipements

EPR, AP600, S80+, GT-MHR, ...

1990 La NRC change la législation et adopte les propositions du plan NPOC (10CFR52),

1996 Octroi du premier “Certificate of Design” pour l’ABWR de GE

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Caractéristiques de “Generation III” (URD)

• Temps de construction = 4 ans,

• Utilisation de combustible UO2 et MOX,

• Taux d’épuisement > 60 GWj/t,

• Facteur de charge > 0,9 ,

• Cycles de maintenance et recharg. : 24 mois,

• Probabilité (cumulée) de fusion du coeur < 10-5 /réact. an,

• Probabilité (cumulée) de relâch. important < 10-6 /réact. an,

• Dose collective au personnel < 0,8 homme.Sv /an

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Concepts de réacteurs de “Generation III”

• ABWR+ GE BWR 1350MWe (c)• SWR 1000 FramatomeANP BWR 1013MWe• ESBWR GE BWR 1380MWe• AP600 Westinghouse PWR 610MWe (c)• AP1000 Westinghouse PWR 1090MWe• APWR+ Mitsubishi PWR 1538MWe• EPR FramatomeANP PWR 1500MWe• S80++ ABB PWR 1345MWe (c)

• PBMR ESKOM HTR 120MWe• GT-MHR General Atomics HTR 300MWe

+ : en construction ou fonctionnement(c) : certifié par la NRC

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Le réacteur AP600(PWR, sûreté passive)

Le projet GT-MHR(HTR, cycle de Brayton )

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Les concepts AP600 et GT-MHR

Puissance (MWe)Facteur de chargeRendementCombustibleCycle de rechargement (m)Burn-up (GWj/t)Probab. fusion du coeurDurée de vie (a)Temps de construction (a)Sûreté passive

AP600

6000,9

0,31UO2

18 à 24pas disp5 10-7

603+

GT-MHR

3000,8

0,48UO2/PuO2

20700

sans objetpas disppas disp

+

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Comparaison des risques entre l’AP600 et les réacteurs actuels. (Source : BNFL)

Evénement AP600 LWR actuels

ExcursionBoucle/RuptureRupture de tube de GVPerte de refroidissement- LOCA petit- LOCA moyen- LOCA graveExcursion anticipée sans SCRAMPerte de refroidissementLOCA et perte de refroidissementRupture du coeurRisque global

5,0 10-9

1,0 10-9

6,1 10-9

1,0 10-8

7,6 10-8

5,0 10-8

1,0 10-8

< 10-9

< 10-9

1,0 10-8

1,7 10-7

1,3 10-5

6,6 10-6

1,7 10-6

8,0 10-6

5,0 10-6

8,0 10-7

2,2 10-6

1,1 10-5

1,0 10-6

3,0 10-7

5,0 10-5

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Pu militaire Pu civil Combustible U5/U

Isotope Charge(kg)

Décharge(kg)

Charge(kg)

Décharge(kg)

Charge(kg)

Décharge(kg)

U235

U238

U236

Np237

Pu238

Pu239

Pu240

Pu241

Pu242

Am243

Cm244

Totalactinides

65837,5

0000

696

13,736,354,146,36,4

165

11,969027415659,5

00

1190

20,418

38,796,814333,228,4395

6303870

0000000

4500

197366073,83,331,3626,818,714,79,85

4000

Compositions initiales et finales de combustibles pour le GT-MHR (Source : G. Fioni et al. ICENES 2000)

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Evolution du keff au cours du temps pour le GT-MHR (Source : G. Fioni et al. ICENES 2000)

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Le projet de réacteur PBMR (Eskom)

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Réacteur PBMR et cycle de Brayton

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Le combustible TRISO

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HTGR - Excursion de température en cas de perte de réfrigérant (source : GA)

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L’initiative “Generation IV”

“While we cannot predict the future (of nuclear energy), we can see that there is an opportunity to shape it … ”

William D. Magwood, IV (USDOE)

2000 ???

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Generation IV est une initiative du “Department of Energy” (USDOE) avec les volets suivants :

• NERI (Nuclear Energy Research Initiative) : octroi de budget de recherche pour l’étude de concepts de réacteurs innovants, (budget FY-01 : 32.106 US$)

• GIF (Generation-IV International Forum) : participation internationale à la définition des objectifs et au choix des concepts.

Pays membres : Afrique du Sud, Argentine, Brésil, Canada, Corée, France, Grande-Bretagne, Japon, USA avec participation de l’IAEA et NEA-OECD

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But de “Generation IV”

Déploiement au-delà de 2030 d’une nouvelle génération de réacteurs satisfaisant des objectifs (”Technology Goals”) à atteindre, en rapport avec :

1. le développement durable (“Sustainability”)

2. la sûreté et fiabilité, (“Reliability and Safety”)

3. l’économie, (“Economy”)

03/01 : adoption par le GIF des “objectifs” de G-IV

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• Provide sustainable energy generation that meets clean air objectives and promotes long-term availability of systems and effective fuel utilization for worldwide energy production

• Minimize and manage their nuclear waste and notably reduce the long term stewardship burden in the future, thereby improving protection for the public health and the environment

• Increase the assurance that they are a very unattractive and least desirable route for diversion or theft of weapons usable materials

Technology goal 1 : Sustainability

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• Excel in safety and reliability

• Have a very low likelihood and degree of reactor core damage

• Eliminate the need for offsite emergency response

Technology goal 2 : Reliability and Safety

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• Have a clear life-cycle cost advantage over other energy sources

• Have a level of financial risk comparable to other energy projects

Technology goal 3 : Economy

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10/02 : adoption d’un “Roadmap” pour l’identification et le développement du (ou des …) concept à déployer au-delà de 2030.

Etapes suivantes :

Au-delà de 2003 : “screening” des concepts G-IV proposés en conformité avec la méthodologie développée dans le roadmap

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Sont en cours de développement des concepts de réacteurs suivants :

• Advanced water cooled reactors, • Supercritical water reactors, • Liquid metal cooled reactors,• Gas cooled reactors, • Thorium/uranium reactors,• Pressure-tube reactors, • Pebble-fuel water cooled reactors, • Non-classical pow er reactors, ...

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Le concept IRIS (International Reactor Innovative and Secure) de Westinghouse

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Application importante pour les réacteurs HT (à haut rendement) : la production d’hydrogène (HTTR-JAERI)

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Conclusion

• Il y a un regain d’intérêt (comparable à celui des années ‘60’) pour des concepts innovants,

• Il est impossible à l’heure actuelle de dire ce que réserve l’avenir mais les conditions semblent réunies pour un nouveau départ du nucléaire, plus en.