Perspectives en Production d`énergie nucléaire

Perspectives en Production
d’énergie nucléaire
Table de matières
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Editorial: Christian Pierlot, Président Général de la SRBE
La fission
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Generation IV reactor systems and fuel cycles (horizon 2030): technological
breakthroughs in nuclear fission (international RD&DD), par Georges Van
Goethem, Innovation in Nuclear Fission, Education & Training
La fussion
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Controlled nuclear fusion: The energy of the stars on earth, door Vincent
Massaud, Marc Decréton, Inge Uytdenhouwen, Johan Braet, Frank Druyts, Benoît
Brichard en Erik Laes, SCK-CEN
Generation IV reactor systems and fuel cycles (horizon 2030):
technological breakthroughs in nuclear fission (international RD&DD)
Georges Van Goethem, Innovation in Nuclear Fission, Education & Training
Résumé
Euratom a signé en 2006 l’Accord Cadre du GIF («Generation IV International Forum»).
Par conséquent, toutes les actions Euratom dans le domaine des systèmes réacteurs
innovants sont basées sur les quatre «Objectifs technologiques pour l’industrie et la
société»:
• durabilité: par ex. utilisation des combustibles et gestion optimale des déchets
• économie: par ex. minimisation des coûts du MWe installé et du MWth produit
• sûreté et fiabilité: par ex. solide architecture de sûreté et spécifications très sévères
• résistance à la prolifération et protection physisque : par ex. séparation difficile du Pu.
Pour mettre Generation IV en perspective, on rappelle brièvement l’histoire de la fission
nucléaire en discutant les avantages et inconvénients de chaque génération précédente:
• Generation I (1950 – 1970): centrales nucléaires «Atoms-for-Peace» (4 pays)
• Generation II (1970 – 2000): sûreté et fiabilité (30 pays concernés)
• Generation III (2000 – 2030): progrès de type «évolutif» pour améliorer la sûreté
• Generation IV (horizon après 2030): innovation «visionnaire» en durabilité.
Controlled nuclear fusion: The energy of the stars on earth
Vincent Massaud, Marc Decréton, Inge Uytdenhouwen, Johan Braet, Frank Druyts,
Benoît Brichard en Erik Laes, SCK-CEN
Résumé
La consommation d'énergie augmentera probablement de manière importante (facteur
deux ou trois) dans le courant des prochaines cinquante années. Les énergies fossiles, qui
couvrent actuellement une très grande part de la demande, sont non seulement vouées
à un tarissement prochain, mais sont la source principale des gaz à effet de serre et des
conséquences climatiques qu'ils entrainent.
Les énergies renouvelables sont une source à promouvoir rapidement, et dont la part dans
l'offre d'énergie augmentera certainement de façon importante dans les prochaines
décennies. Mais ces énergies s'adaptent très difficilement à une production centralisée,
indispensable pour couvrir les besoins de populations concentrées de plus en plus dans
des régions à forte densité démographique et ne pourront sans doute pas répondre à la
croissance prévue de la demande.
Il est urgent de développer de nouvelles sources d'énergie capables de répondre aux
besoins économiques futurs, mais entrainant une empreinte environnementale réduite,
basées sur des combustibles largement disponibles et une grande sûreté d'utilisation.
La production d'électricité au départ des réactions thermonucléaires de fusion pourrait
offrir une de ces nouvelles sources.
Basée sur la réaction de noyaux de deutérium et de tritium, deux isotopes de l'hydrogène,
elle utilise des combustibles abondants dans la nature (le deutérium lui-même et le
lithium servant à la fabrication du tritium). Ces combustibles sont répartis de façon égale
sur toute la surface de la terre, et leur densité énergétique est très élevée. La fusion ne
comporte pas de risque d'accident grave. La quantité de combustible présent à tout
moment dans un réacteur à fusion est très faible (elle permet tout au plus l'opération du
réacteur pendant une minute) et rend irréaliste tout scénario accidentel nécessitant
l'évacuation de la population environnante. Même si de grandes quantités de déchets
radioactifs sont produites durant la période d'opération d'une centrale à fusion et lors de
son démantèlement, ces déchets ne contiennent pas d'isotopes à longue durée de vie, et un
entreposage en surface pour un période de moins de 300 ans est suffisant pour les rendre
plus inoffensifs que les cendres d'une centrale à charbon. En utilisant des matériaux à
faible activation, on pourra même réduire cette période à 100 ans seulement. Si on y
ajoute l'absence de tout dégagement de gaz à effet de serre, la fusion apparaît donc
comme une production d'énergie à très faible impact environnemental.
Mais produire de l'électricité à partir de réactions de fusion n'est pas une tâche aisée. Des
difficultés technologiques importantes sont encore à surmonter. Le confinement du
plasma chaud dans un espace limité, son contrôle en température, en densité et en
composition touchent les limites actuelles de l'état de l'art des différentes technologies à
mettre en ouvre. Les aimants supraconducteurs, leurs systèmes de refroidissement
cryogéniques, la chambre à très haut vide sont des composants qui doivent être construits
avec des dimensions dépassant souvent les réalisations existantes jusqu'à présent. Et la
qualification des matériaux, en particulier les matériaux réfractaires faisant face au
plasma et les nouveaux aciers à faible activation, nécessite encore des recherches et
développements substantiels pour garantir leur tenue aux flux de chaleur et de neutrons
qui seront présents dans le réacteur.
Ces difficultés expliquent la longue période de développement que l'énergie de fusion a
déjà derrière elle, les recherches ayant démarré au milieu du siècle précédent, ainsi que
les prévisions actuelles, prévoyant la première utilisation commerciale d'un réacteur à
fusion pour le milieu de ce siècle-ci. Cette échelle de temps se traduit évidemment par
des coûts proportionnels importants.
Et malgré tout, la communauté internationale a exprimé clairement son engagement à
poursuivre et même à accentuer son effort dans cette voie. ITER, la machine dont on
décide la construction dans le sud de la France, devient non seulement l'étape majeure sur
le chemin qui mène au réacteur à fusion producteur d'électricité, mais se présente comme
une figure emblématique de la collaboration scientifique et technologique mondiale.
Pour la première fois dans l'histoire, plus de la moitié de la population mondiale,
représentant trois-quarts de l'économie de la planète, va travailler ensemble sur un projet
unique et de portée majeure.
Cet effort vaut en effet la peine, au vu de ce qui est en jeu: pouvoir disposer dans l'avenir
d'une source d'énergie supplémentaire sûre et abondante.
La Belgique a été dès le départ partie prenante de cette initiative. Elle compte rester aux
premières lignes. Les premières équipes de chercheurs sont apparues dans les années
soixante à l'Ecole Royale Militaire et à l'Université Libre de Bruxelles, et quelques
années plus tard au SCK•CEN. Un contrat d'association nous lie depuis plus de quarante
ans avec l'Euratom et nous a permis de participer pleinement au programme européen
de développement de la fusion, en nous positionnant de façon pertinente dans un réseau
dense de collaborations scientifiques et techniques, où nous avons des créneaux
d'expertise reconnus internationalement. Nous avons pris une part active à la construction
et à l'opération du tokamak JET au Royaume-Uni, par l'intermédiaire de nos centres de
recherche et de notre industrie. La construction actuelle d'ITER nous offre de nouvelles
opportunités scientifiques et industrielles.
Ce rapport fait le point sur ces recherches et sur les enjeux qui se jouent actuellement
avec le lancement de la construction d'ITER. Il esquisse d'abord les fondements
scientifiques de la réaction de fusion et les moyens de la contrôler dans un tokamak pour
fournir une production nette d'énergie. Il indique la place que cette forme d'énergie
pourrait avoir dans l'approvisionnement en énergie dans l'avenir, ses avantages et ses
inconvénients.
Il décrit le type de combustibles, les aspects de sûreté de fonctionnement et le traitement
de ses déchets. Il rappelle enfin les étapes importantes prévues pour arriver au
déploiement de centrales de puissance basées sur la fusion: ITER pour les aspects de
physique et de technologie, IFMIF pour les aspects concernant les matériaux et enfin
DEMO, premier réacteur de démonstration qui devra combiner l'ensemble des résultats
obtenus avec les autres machines.
Dans une seconde partie, le rapport donne une vue sur les programmes de recherche et de
développement actuellement menés dans le monde, mais en particulier en Europe. La
contribution spécifique de la Belgique est présentée de façon un peu plus détaillée.
Finalement, les opportunités que donnent ITER et les autres étapes du programme fusion
sont discutées avec l'accent mis sur ce que la Belgique, et le SCK•CEN en particulier,
pourraient en retirer.