Plan de l'exposé

1. L'énergie nucléaireest-elle efficace?Frédéric Legée - Gilles Mathonnière Anne Baschwitz - Sophie Gabriel

2. Plan de l'exposé • L'efficacité économique actuelle • L'efficacité énergétique et l'utilisation des ressources • La transition vers l’efficacité énergétique • Conclusions

3. L'énergie nucléaire est compétitive aujourd'hui Rapport 2010 Projected Costs of Generating Electricity, de l'OCDE/AEN et de l'Agence Internationale de l'Energie

4. Décomposition du coût de production (REL) Taux d’actualisation à 8% décroissant à 3% après 30 ans

5. La situation actuelle de l'énergie nucléaire • Grande efficacité économique : compétitivité • Fonctionnement en base ou semi-base • Forte intensité capitalistique • Faible sensibilité au coût de l'uranium • Nécessité de respecter des durées de construction faibles • Faible efficacité quant à l'utilisation des ressources • Utilisation de 0,5 à 1% de l'uranium naturel • Le prix bas de l'uranium diminuait encore son importance dans l'optimisation du coût du kWh Prix spot UxC (US$/lb U3O8)

6. L'énergie nucléaire peut-elle être une énergie d'avenir avec son efficacité énergétique actuelle ? • Les ressources en uranium naturel • La demande • Les avancées technologiques en matière d'efficacité énergétique

7. Les ressources mondiales en uranium Les ressources sont décrites dans le « livre rouge » de l’OCDE/AEN et de l’AIEA (édition 2008) Aux ressources conventionnelles s'ajoutent de l’ordre de 22 millions de tonnes extractibles des phosphates.

8. Production minière d’uranium et demande pour la production électrique, 1945-2007 Source Livre rouge

9. Prix spot moyen annuel de l'uranium – Dépenses d'exploration et de développement des mines (1970-2007)

10. Capacité théorique de production d'uranium d'ici à 2030 Capacité théorique annuelle mondiale de production d'uranium projetée jusqu'en 2030 par rapport aux besoins prévus des réacteurs du monde entier

11. Besoins futurs liés à la renaissance du nucléaire Capacité nucléaire installée selon l’IIASA IIASA A2IIASA A3IIASA BIIASA C2 GWe Années

12. Comparaison offre-demande d’Uranium: le détail via les calculs de l’I-tésé IIASA A2IIASA A3IIASA BIIASA C2 Uranium consommé Uranium consommé et engagé Mt Mt Scénarios avec des REL actuels pour répondre à la demande en électricité nucléaire

13. Efficacité énergétique : un saut technologique nécessaire • Systèmes de 4ème génération avec un objectif de durabilité : RNR iso ou surgénérateur • Efficacité d’utilisation de l’Uranium naturel accrue d'un facteur 50 à 100 par rapport aux REL actuels • Plus de besoin en uranium naturel : les stocks accumulés d'uranium appauvri (près de 300 000 t en France et 1,5 Mt dans le monde assurent un fonctionnement de plusieurs millénaires) • Pour démarrer un RNR, il est nécessaire de disposer d'un inventaire Pu initial (qui se renouvelle)

14. Des scénarios de capacité installée en RNR compte tenu de la disponibilité du Pu TWe

15. Efficacité énergétique : axes de R&D • Au niveau mondial, la renaissance du nucléaire et sa contribution au mix énergétique du futur n'est pas possible avec les REL actuels. • Il faut augmenter l'efficacité énergétique (diminuer la consommation en uranium naturel pour une même quantité d'énergie fournie) • Il faut travailler en parallèle sur deux axes complémentaires de R&D : • les aspects évolutionnaires : continuer à améliorer les REL et en particulier leur efficacité énergétique • la rupture technologique : mettre au point des réacteurs assurant la durabilité du nucléaire sur des millénaires

16. Comment réduire la consommation d'Uranium des REL?L'amont du cycle • Diminuer les pertes à l'enrichissement (passer de 0.25% à 0.1% de taux de rejet économise 20% d'Unat, mais augmente de 50% les UTS) • Exploiter les matières fissiles non utilisées • Réenrichir l'U appauvri

17. Comment réduire la consommation d'Uranium des REL?Aval du cycle • Recycler les matières fissiles • URT (environ 10% d'économie d'Unat) • Pu (environ 10% d'économie d'Unat) • Retraiter les combustibles UOx usés pour lesquels le retraitement n'est pas prévu (et augmenter les capacités mondiales de traitement) (environ 25% au total)

18. Comment réduire la consommation d'Uranium des REL?Réacteurs (1) • Mieux utiliser le combustible en réacteur Masse d'uranium consommée (t/GWe*an) = f (T, n, L, e) • T : taux de combustion de déchargement (GWj/t) • n : fractionnement du cœur • L : Longueur de cycle (jepp) • e : enrichissement initial • Augmenter T seul n'a pas d'impact : à n donné, on augmente L et le facteur de disponibilité du réacteur • Augmenter n seul économise de l'Unat,… mais on diminue L • Augmenter à la fois T et n permet de gagner sur la consommation d'Unat sans diminuer la longueur de cycle Ordre de grandeur du gain en Unat : 10 à 15% pour un passage d'une gestion par 1/3 à une gestion par 1/5

19. Comment réduire la consommation d'Uranium des REL?Réacteurs (2) • Mieux utiliser le combustible en réacteur (suite) • Augmenter le rendement thermo-électrique (1% de rendement correspond à un gain de 3% sur l'Unat) • Diminuer les fuites (baffle lourd permet de gagner environ 5% sur l'Unat) et les captures parasites • Améliorer les capacités des REL • Accroître le facteur de conversion (REL HFC) • Cycle thorium (+ usines du cycle associées)

20. Le thorium ? • Th est un isotope FERTILE qui génère un isotope fissile : U 233 Th 232 + n  Th 233 (22 min)  Pa 233 (27 j)  U 233 (1.5 105 a) comparable à : U 238 + n  U 239 ( 23,5 min)  Np 239 (2,3 j)  Pu 239 (24 000 a) • Le cycle ouvert est exclu, restent deux utilisations envisageables : • Surgénération thermique théoriquement possible avec des cycles Th/U233. REB ? • REL HFC en utilisant les performances supérieures de U233 • R&D de long terme. Il est nécessaire de mettre au point un cycle industriel avec traitement-fabrication de combustible Th/U233  Pas avant 50 ans si une stratégie de ce type est validée par la R&D et l'économie.

21. REL HFC? • Facteur de conversion FC : Quantité de matière fissile produite/Quantité de matière fissile consommée Pour les REP actuels FC = 0.6 • Améliorations possibles • Limiter les captures stériles (moins d'eau, eau lourde, gaines Zr au lieu d'acier,…) • Limiter les fuites (baffle lourd, cœur plus gros) • Durcissement du spectre RSM ou RCVS • Gains envisageables • FC = 0.8 gain d'Unat de 40 % • FC = 0.95 gain d'Unat de 60 % • FC > 1. surgénérateur Plus de besoin d'Unat (Uapp + Pu initial) RSF ou FLWR • Faisabilité ? R&D à mener • Besoins en plutonium sont en compétition avec ceux des RNR • Parc probable REP + REL HFC + RNR pour mener la transition vers un parc uniquement RNR

22. Plan de l'exposé Energie nucléaire • L'efficacité économique actuelle • L'efficacité énergétique et l'utilisation des ressources • La transition vers l’efficacité énergétique • Conclusions

23. REL et RNR : une symbiose nécessaire 1: Puissance installée en RNR2:Puissance totale installée REL Réacteurs à Eau Légère GWe RNR Réacteurs à Neutrons Rapides • Raréfaction des ressources en Uranium : De nouveaux concepts de REL, plus sobres en uranium pour assurer une transition optimale vers un cycle Pu • Rareté de Plutonium : Des REL resteront nécessaires aux côtés des Réacteurs à Neutrons Rapides (RNR)

24. Disponibilité du plutonium et utilisation maximale de l’uranium • Une gestion d’un parc REL à 33 GWj/t permet d’installer 11% de RNR de plus qu’avec 60 GWj/tonne • Une gestion d’un parc REL à 45 GWj/t permet de consommer 8 à 9% d’uranium en moins, par rapport à 60 GWj/tonne Deux objectifs à concilier Uranium Des stratégies de gestion des combustibles à optimiser Plutonium Le chemin le plus rapide vers la sobriété énergétique n’est pas le plus économe en uranium

25. Chemistry Enrichment Mines Fuel Fabric. Recycling : MOX Fuel fabrication Ultimate Waste Disposal Spent Fuel Reprocessing Reactors & Services La transition vers les systèmes futurs L’efficacité c’est d’abord l’efficacité vis-à-vis de la ressource Unat Uapp URT Pu …mais aussi vis-à-vis de la gestion des déchets radioactifs

26. Bitume Ciment Verre Cimentscoques Compactage Combustible usé Déchets radioactifs Des progrès significatifs déjà obtenus par le passé Volume de déchets m3/tHM • Diminution de la radiotoxicité U 4 Plutonium 3 2 Actinides mineurs 1 Produits de fission 0 1989(Design) 1995 2000 Radiotoxicité après 1 000 ans

27. En France, le CEA traduit en scénarios les options possibles pour de futurs systèmes nucléaires (loi de 2006) des scénarios guidés par l’efficacité de gestion des déchets

28. Pour le futur : un traitement des déchets plus ou moins efficace selon les options Cycle ouvert Extraction Pu Extraction Pu+ actinides mineurs Toxicité long terme 100% 5% 0,0001% 100% 25% < 10% Volumes

29. Des installations de stockage des déchets potentiellement plus réduites Volumes à excaver réduits d’un facteur > 2 2 à 3 km Avec un impact économique à quantifier

30. Systèmes nucléaires du futurl’efficacité économique Une économie de l’énergie nucléaire qui évoluera Coût du combustible (type RNR) Coût du combustible (type EPR) • Une compétitivité fondée sur de nouveaux paramètres • un avenir incertain un besoin de flexibilité

31. La flexibilité des options Exemple de la transmutation des Actinides Mineurs Concilier efficacité énergétique et gestion efficace des déchets Fabrication du combustible Retraitement Energie+transmutation en réacteur de 4ème génération (RNR) Am Usine 130 tonnes/an Atelier 430 tonnes/an + + Usine 2420 tonnes/an Atelier 5420 tonnes/an Pu Ou ? Ou ? Un découplage possible des objectifs facteur de flexibilité… mais aussi de complexité Atelier 6450 tonnes/an Usine 3450 tonnes/an Pu+Am

32. La R&D : un facteur de flexibilité.Une quantification possible par des outils comme les options réelles L’apport de la R&D à la flexibilité Chaque option fait l’objet d’une quantification économique on introduit le faitque les conditions favorables à l’option peuvent ne pas être atteintes on évalue à partir de quels niveaux de probabilité favorable l’option de R&D a une valeur positive La R&D, une « assurance » pour l’efficacité du système

33. Conclusions (1/2) Actuellement le nucléaire est compétitif, malgré une faible efficacité énergétique A l’horizon 2100, décupler le parc électronucléaire mondial nécessite des progrès considérables en matière d’efficacité A long terme, les RNR qui permettent de multiplier par 50 à 100 l’utilisation de l’uranium sont la solution de référence La disponibilité limitée du plutonium conduit à une phase transitoire avec coexistence de REL et RNR.

34. Conclusions (2/2) Les REL devront permettre de soutenir cette transition grâce à une efficacité largement accrue (quelques dizaines de %) La transition ne sera pas uniquement guidée par la meilleure efficacité énergétique (acceptation du public, gestion des déchets…et bien sûr l’économie). Les nombreuses incertitudes (coût de l’uranium, coût des RNR par rapport aux REL..) imposent une approche flexible dans la gestion de la phase transitoire La R&D, un facteur de flexibilité

35. Merci pour votre attention