La flexibilité du système électrique face à la demande

De cette interpellation naquit toute une série de threads, puis ce billet.

Ce même jour, par chance, la production éolienne en France était généreuse et relativement stable, et prévue pour le demeurer jusqu’à la fin de la journée. Quant au solaire, il se comportait comme du solaire.

Ceci incite toutefois, dirait probablement un « vrai ingénieur », à demander aux gens de ne pas se lever avant 9 ou 10h du matin, afin de profiter de l’ensoleillement pour faire fonctionner micro-ondes, grille-pains et sèches-cheveux. Ou même RER, métro et trains.

Et le même jour, il aurait été avisé de ne pas faire la cuisine pour le dîner après 16 ou 17h, pour les mêmes raisons.

Pour aller plus loin, dans les jours qui suivirent, j’ai, chaque matin, regardé les prévisions de production éolienne et solaire du même jour, ainsi que les prévisions de consommation, et les recommandations pour modifier la seconde pour la rapprocher de la première.

Une sorte de « météo de l’électricité », qui pourrait devenir la solution de « vrais ingénieurs » pour que la consommation devienne davantage flexible par rapport à la production : dire aux gens comment faire, chaque jour, voire ce qu’ils peuvent faire.

Pour voir les différents graphiques et les prévisions de consommation associées, c’est dans le thread Twitter uniquement, pas repris dans ce billet de blog :

Rétrospective sur une semaine:

Le chemin avant d’adapter la consommation à la production, et non plus l’inverse comme c’est le cas depuis un siècle, est extrêmement long et compliqué. Il ne suffira pas de stocker à midi ou à quatre heures du matin et déstocker lors des pics de consommation du matin et du soir. Il faut également prévoir de stocker le week-end et déstocker tout au long de la semaine. Et, même si ça ne paraît pas dans ces graphiques, il faut en plus être en mesure de stocker et déstocker d’une saison à l’autre.

Ces différentes échelles de temps pour stocker l’électricité, elles sont déjà d’actualité. Le stockage de l’électricité sous forme gravitaire hydraulique (les STEP) est décliné en deux modes de fonctionnement.

  • Les petites STEP de faibles capacités mais nombreuses et donc qui cumulent une forte puissance (mais de toujours faibles réserves) fonctionnent essentiellement en cycle jour/nuit : l’eau est pompée en heure creuse vers l’amont, et turbinée vers l’aval au pics de consommation du matin et du soir.
  • Les quelques énormes STEP contribuent aussi au cycle jour/nuit, mais sont surtout sollicitées pour être remplies le week-end, car la consommation est faible, et turbiner toute la semaine, toujours lors des pics de consommation.

Quant au stockage d’une saison à l’autre, ce sont l’atmosphère, l’océans et les montagnes (les glaciers surtout) qui s’en chargent. L’hiver, les précipitations plus abondantes permettent au centrales hydroélectriques « au fil de l’eau » de rencontrer un débit plus important et donc de produire davantage que l’été ; et les lacs, remplis pendant la fonte des glaces, se vident en turbinant cette eau l’hiver pour combler nos besoins.

L’éolien et le solaire, eux, subissent tout cela, sans que cela ne soit optimisé pour nos besoins.

Toutefois, à la même période, j’expérimentais de m’adapter à la production éolienne et solaire. Et ça marche, sans trop d’effort…

Mais uniquement en considérant les moyennes journalières, et certainement pas au cours de la journée !

Et le jeu des prévisions météo a continué quelques jours. Dans un seul but : rendre visible ce qu’on appelle « intermittence », et montrer à quel point adapter la consommation demande davantage que de « vrais ingénieurs » ou juste de la « volonté politique ».

Cycle #8 Une perspective d’évolution à long terme

Au sommaire de cet article :

  • Une analogie simple : le bois
  • La surgénération Uranium / Plutonium
  • Les neutrons rapides
  • Performances d’un parc de surgénérateurs
  • Un nouveau cycle du combustible
  • Incinération des actinides
  • Considérations économiques élémentaires
  • Bref retour sur le thorium
  • Concluons ?

Petite mise au point sur mes hypothèses de départ : je me projette, dans cet article, toujours en France, et dans un futur où la filière nucléaire n’est pas abandonnée et où l’évolution du cadre social et économique permet de continuer à développer et mettre en œuvre de nouvelles technologies.

Une analogie simple : le bois

Pour les besoins d’une analogie que je trouve très intéressante, permettez que je raconte une courte histoire qui n’a à priori rien à voir.

Dans un petit gîte, au fond d’une forêt de Laponie, vous sentez approcher une tempête de neige qui pourrait bien faire descendre la température sous les niveaux tolérables par le corps humain.

Votre seule chance de ne pas y laisser vos os, c’est d’allumer une flambée dans votre cahutte, et l’entretenir toute la nuit. Mais pour ce faire il vous faut, avant que n’arrive le blizzard, amasser suffisamment de bois pour tenir le feu vif pendant les longues heures à venir.

Vous amassez avec satisfaction un impressionnant tas de bois que vous rangez à l’intérieur. De quoi vous garder au chaud bien plus longtemps que nécessaire.

Alors que, même à l’abri du vent, la température commence à vous piquer la peau, vous allumez sans mal un petit foyer. Et c’est au moment où vous essayez à en faire un feu plu généreux, à même de réellement vous réchauffer, que la réalité vous rattrape.

Le bois est humide.

Vous cherchez désespérément, dans le tas devant vous, du petit bois, qui brûlera mieux. Mais c’est une évidence : vous n’en aurez pas assez pour passer la nuit. Et les hurlements du blizzard attaquent déjà les murs de votre cabane.

Votre cerveau, lui, chauffe à la recherche d’une solution plus intelligente que de mettre le feu à tout le chalet, pour vous réchauffer. Et voilà que survient l’illumination ! Vous vous attelez à agencer le bois humide autour du foyer, construisant une sorte de tipi de branches léché par les flammes. Certes, cela vous empêche de pleinement profiter de la chaleur, et vous devez, en compensation, brûler un peu plus de petit bois, réduisant encore plus l’espérance de vie de votre stock – et donc la vôtre.

Mais en contrepartie… En quelques dizaines de minutes, le bois humide de ce tipi a séché, et vous fournit du bois sec supplémentaire pour alimenter un deuxième feu. Et autour de chacun de vos deux feux, vous construisez la même couverture de bois humide. Qui séchera, et viendra lui aussi alimenter le feu. Pour faire sécher plus de bois.

Et finalement, pour une brassée de bois sec, vous séchez dix brassées de bois humide : voilà que le péril d’une cryogénisation s’éloigne !

Sans même que j’aie à l’expliquer, vous avez compris le principe de la surgénération. Consommer un peu de matière combustible, fissile dans le cas du nucléaire, pour produire de l’énergie tout en transformant de la matière non combustible (fertile, dans le nucléaire) en matière combustible.

Reprenons le combustible nucléaire usé, vous voulez-bien ?

La surgénération Uranium / Plutonium

Sur une tonne de combustible frais, nous avions 35 kg de matière fissile, l’uranium 235. Une fois passée en réacteur, cette tonne contenait encore 10 kg d’uranium 235, mais on y avait également créer 10 kg de matière fissile supplémentaire : le plutonium. Celui-ci se forme par capture d’un neutron par un noyau d’uranium 238, non fissile.

©IN2P3

Cela signifie donc que nous sommes capables de produire non seulement de l’énergie, mais aussi, comme sous-produit, de la matière fissile, à partir de matière qui ne l’est pas. Ici, de l’uranium 238 qui devient plutonium 239 (et éventuellement 240, 241…) par capture d’un neutron (ou plusieurs captures successives).

Hélas, on crée moins de matière fissile que l’on en consomme. D’autant plus que dans nos réacteurs à eau, seule une partie du plutonium est fissile ; je vous renvois à l’article sur le recyclage.

En bilan global, on consomme donc davantage d’atomes fissiles que l’on en produit, et c’est pour ça que malgré le recyclage (et ce, même si l’on recyclait indéfiniment et pas seulement une fois), on extrait continuellement de l’uranium de l’environnement.

Mais peut-on imaginer inverser la tendance ? En réacteur, produire davantage de noyaux fissiles que l’on en consomme ? Comme on sèche plus de bois humide, que l’on ne consomme de bois sec ?

C’est le principe de la surgénération.

Un principe assez simple à mettre en œuvre, en apparence : il faut concevoir un cœur très concentré, qui produirait beaucoup plus de neutrons qu’il en consomme et dont l’excédent de neutrons fuirait vers l’extérieur du cœur. Étape 2 : enrober le cœur d’une couverture de matière fertile.

Ah, oui, au passage : fertile, c’est ce que l’on dit d’un isotope qui n’est pas fissile, mais qui peut le devenir s’il capture un neutron. C’est notamment le cas de l’uranium 238 (qui devient, après quelques étapes intermédiaire, du plutonium 239) et du thorium 232 (qui devient uranium 233, fissile aussi). Mais le thorium, on va le mettre de côté pour le moment. On va plutôt entourer notre cœur d’une couverture d’uranium appauvri (99,5% à 99,8% d’uranium 238).

Évidemment, si c’était si simple… Pour que ça se passe comme prévu, il y a une condition compliquée à gérer.

Les neutrons rapides

Il faut que le réacteur fonctionne en neutrons dits « rapides », c’est à dire qui ne sont pas ralentis après avoir été produits par une fission. Et il faut donc oublier directement les réacteurs refroidis à l’eau, puisque l’eau est très bonne pour ralentir les neutrons !

Le ralentissement des neutrons, on en parle plus en détail ici.

Quelles alternatives à l’eau pour refroidir le réacteur ? On pourrait y aller avec du gaz (diazote, dioxyde de carbone, gaz noble…). Ou un liquide de types sels fondus.

Mais ce qui a été le plus couramment retenu dans le monde, et particulièrement en France, c’est le métal liquide. Dans les candidats, il y avait le plomb liquide, ou un alliage plomb-bismuth. Les russes ont poussé le concept assez loin, puisqu’ils ont même développé une famille de sous-marins nucléaires dotés d’un tel réacteur, refroidi au plomb-bismuth !

En France, c’est le sodium, le métal qui a été privilégié. Moins cher, moins toxique, moins corrosif, mais très facilement inflammable : ce ne sont que des visions différentes des compromis à faire.

Et ce qui serait intéressant, ce serait de ne pas produire des quantités astronomiques de plutonium, donc on serait bien avisés de ne pas parler de surgénération, mais d’isogénération : produire autant de matière fissile que l’on en consomme.

Et qu’est-ce que ça donnerait, un parc d’isogénérateurs, en France, pour garder notre production électronucléaire d’environ 400 TWh/an ?

Performances d’un parc de surgénérateurs

Pour commencer, il faudrait déjà une bonne charge de plutonium : environ 20 tonnes par réacteur. On n’en manque pas, ce sont des centaines de tonnes qui attendent qu’on s’en occupe, dans le MOx usé – en plus des 10 tonnes que l’on produit déjà annuellement.

Ah, oui, le MOx usé. On disait, dans le précédent billet sur le recyclage, qu’on ne recyclait pas le MOx usé, parce que la composition isotopique du plutonium était trop dégradée, avec une teneur trop importante en isotopes non fissiles, voire neutrophage (ils absorbent les neutrons sans fissionner ni devenir fissiles).

Mais justement, c’est pour cela que l’on voulait des réacteurs à neutrons rapides (RNR). Les neutrons rapides sont beaucoup moins sensibles aux différences entre les isotopes, et les font plus ou moins tous fissionner, moyennant ou non une capture intermédiaire. Donc avec un parc de RNR, retraiter le MOx devient beaucoup plus intéressant qu’aujourd’hui.

On charge donc nos réacteurs avec du MOx boosté à 20% de plutonium contre 80% d’uranium appauvri ou naturel, et on récupère à la sortie du combustible avec 20% de plutonium (isogénération !), 5% de produits de fission et actinides mineurs (comme aujourd’hui), et 75% d’uranium.

On laisse refroidir quelques années à quelques décennies, on retraite pour extraire les 5% qui deviendront des déchets, on fait l’appoint en uranium appauvri pour compenser les 5% de perdus, on re-fait des assemblages combustible, et c’est re-parti pour un tour en réacteur.

La consommation de ressources se limite à l’appoint en uranium appauvri, à hauteur d’environ 50 tonnes par an pour l’ensemble de notre production de 400 TWh.

Et vous savez quoi ?

De l’uranium appauvri, a fait des décennies qu’on en produit lorsque l’on fait de l’enrichissement. Aujourd’hui, on en produit environ 8000 tML/an que l’on… Entrepose. En attendant.

Stock actuel : trois cent mille tonnes. Z’avez bien lu. Avec un parc complet d’isogénérateurs, on consommerait 50 tonnes par an d’une ressource dont on a déjà extrait 300 000 tonnes.

Sans déconner : on peut s’offrir six millénaires d’autonomie. Sans exploiter de ressource naturelle. En diminuant les quantités de MOx usé et d’uranium appauvri entreposées.

Un nouveau cycle du combustible

On passerait donc du cycle actuel, partiellement ouvert, avec mono-recyclage en réacteur à eau, que cette image résume en reprenant tous les éléments de cette série d’articles…

…à un cycle à base de réacteurs à neutrons rapides et multi-recyclage. On parle alors de « fermer le cycle ». Une ambition de la filière nucléaire française depuis ses débuts ! La conception du premier réacteur à neutrons rapides français a commencé en 1957, pour une divergence en 1967.

Puis les expérimentations ont continué, avec Phénix et Superphénix. Et les expérimentations appropriées ont aussi été menées côté retraitement, avec le multi-recyclage du cœur de Phénix.

Incinération des actinides

En bonus, à plus long terme, les réacteurs à neutrons rapides offrent une perspective intéressante supplémentaire : ils pourraient être adaptés pour transmuter les actinides mineurs, qu’on aurait au préalable séparé des déchets. Les transmuter, c’est à dire les transformer en isotopes fissiles, puis les fissionner pour les transformer en produits de fission ordinaires.

Les actinides mineurs, ils ont beau ne peser que 0,1% du combustible usé, ce sont des radioéléments qui chauffent beaucoup, ont des demi-vies longues, voire très longues, et sont des émetteurs alpha très radiotoxiques.

Des déchets purifiés de leurs actinides mineurs, ce sont donc des déchets qui chauffent moins, et sont donc significativement plus compacts et faciles à stocker, et dont la radiotoxicité décroît beaucoup plus vite.

Mais bon, là, je pars un peu loin : si la démarche est possible en théorie, la preuve de sa faisabilité reste à apporter, tout comme la démonstration de sa balance bénéfice/risque favorable.

Bon, et si les surgénérateurs sont si géniaux, qu’est-ce que l’on attend ?

Considérations économiques élémentaires

Ce sont des réacteurs autrement plus compliqués à développer et exploiter. Certes, ils fonctionnent à basse pression, très appréciable à côté des 150 bar d’un REP, mais leurs caloporteurs ne sont pas commodes à manipuler – que ce soit le plomb, le sodium ou de quelconques sels. Et qui dit plus compliqué, dit plus cher.

Or, qui va payer plus cher des réacteurs dont le principal intérêt est d’économiser l’uranium naturel, alors que celui-ci est abondant et ne coûte rien ?

Personne. Donc ces réacteurs ont peu de chance de voir le jour avant que l’uranium ne reprenne significativement de la valeur.

Quant aux malins que je vois déjà arriver avec les sels fondus : en admettant que les réacteurs à sels fondus soient plus simples et donc moins coûteux que leurs homologues au sodium ou au plomb, pas de souci : c’est sur la complexité du retraitement que la compensation va se faire :-/.

Et tant qu’on y est…

Bref retour sur le thorium

Pourquoi est-ce que l’on ne s’intéresse quasiment pas au cycle thorium 232 / uranium 233? en France ?

Déjà, on n’a pas la ressource. Certes, sur Terre, le thorium est plus abondant que l’uranium, mais encore faut-il l’extraire. Et je ne crois pas que l’on aie de gisement en France. Alors que l’uranium appauvri, comme on l’a dit, yapluka se servir, l’extraction a déjà été faite et les stocks attendant que ça.

Deuxièmement, on a déjà développé toute une industrie du cycle, sur la base du couple uranium 238 / plutonium 239. On a les installations et le savoir-faire. Tandis que pour le cycle thorium, que l’on sait, d’ailleurs, plus complexe, on n’a rien de tout cela et l’on partirait quasiment de zéro.

Bref, compte tenu de l’Histoire du nucléaire français et des avantages éventuels et ténus du cycle thorium, je ne vois pas vraiment d’intérêt à développer celui-ci dans notre pays.

Concluons ?

Les intérêts à long terme de la surgénération, en France, sont indéniables. S’il n’y avait qu’une chose à retenir de cet article, c’est celle-ci :

Avec un parc complet d’isogénérateurs, on consommerait 50 tonnes par an d’une ressource dont on a déjà extrait 300 000 tonnes.

La France a freiné avec l’arrêt de Superphénix en 1997, et suspendu la recherche expérimentale avec l’arrêt de Phénix, 10 ans plus tard. Aujourd’hui, c’est le prototype ASTRID qui pourrait se voir abandonné, alors qu’il n’en est qu’aux études préliminaires.

Certes, le signal prix et l’acceptabilité sociale ne jouent pas en faveur d’une relance. Cependant, dans une démarche de vision à long terme, sans aller jusqu’au déploiement d’une série de réacteurs, il me paraît intéressant de préserver un savoir et un savoir-faire, et de retrouver la place d’expert qui fût jadis la nôtre dans ce domaine.

En l’absence de motivation industrielle, seul le signal politique peut concrétiser ce genre d’aspiration. Au travers d’ASTRID, qui reprend l’expérience acquise sur 3 réacteurs sur 50 ans, renforcée des standards économiques et de sûreté actuels. Que diriez-vous de ne pas se laisser porter par les événements, d’aller de l’avant ?

Il ne tient qu’à nos élus d’agir en ce sens.
Tandis que la direction opposée est promue par nos chers écologistes politiques. Sont-ils à ce point rebutés par une industrie nucléaire qui consommerait moins de ressources, serait moins dépendant des importations, polluerait moins l’environnement (car moins de mines) ?

Sur cette pensée, concluons cette série sur le cycle du combustible.

Merci pour cette longue attention.