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LL’é’énergie au XXInergie au XXIee siècle siècle

Quelle place pour la fusionthermonucléaire contrôlée?

J.L. Bobin(2011)

Sommaire

• Le développement durable

• Transitions et défis au XXI!e siècle

• Les sources d’énergie et la substitution énergétique

• Energie et climat: couple INFERNAL

• Perspectives pour la fusion

• Cauchemars et rêves

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Développement durableGro Harlem Bruntland (ancienne Premier Ministre deNorvège) a présidé la commission des Nations Unies qui aénoncé:

«!le développement durable répond aux besoins duprésent sans compromettre la capacité des générationsfutures de répondre aux leurs!»

«! ne pas mettre en danger les systèmes naturels qui nousfont vivre: l’atmosphère, l’eau, les sols et les êtresvivants!»

3 dimensions

• Environnementale il faut respecter les grands

cycles naturels sur lesquels repose la vie de la nature

• Economique gérer son patrimoine, bien

connaître le marché, réagir en temps voulu, anticiper

l'avenir; solvabilité permanente et à long terme.

• Sociale rendre un service effectif et équitable

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Trinité des contraintesUn développement durable doit respecter les trois

ECONOMIE

SERVICE

ENVIRONNEMENTSANTE PUBLIQUE

Transitions en cours

• La grande transition démographique

• La transition du développement

• La transition économique

• La grande urbanisation

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Démographie:le contexte sociétal

• Combien?

• Où?

• Quelle organisation?

4 Journée de l’Énergie 14-18 mai 2001

Taux de croissance de la population mondialedepuis 1700

Taux de croissanceTaux de croissance

% / an% / an

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

210017001700 18001800 19001900 20002000 21002100

Global Foundation - November 26/28, 2000 0PRB9_01. ppt - Pierre René BAUQUIS

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Répartition par tranches d’âges selon le scénariomédian

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Vieillissement (suite)

Où?

• Tendance lourde à l’urbanisation: 75% de lapopulation en 2050– Villes denses, transports collectifs

– Villes étalées (“suburbia”), motorisationindividuelle

• Proximité du littoral: 60% de la populationà moins de 20 km du littoral

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Les lumières des villes

Plus de lumièreprès des côtes

8

Autres transitions

• La globalisation économique et culturelle

• La transition écologique

• La décarbonisation

Défis

• Nourrir 9 milliards d’êtres humains

• Augmenter la proportions de paysdéveloppés (la Chine et l’Inde sont en bonnevoie)

• S’adapter à la menace climatique ou lacombattre

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Sources d’énergie

• Combustibles

• Chimiques: Biomasse, Charbon, Pétrole, Gaz naturel,

• Nucléaires: Uranium, Thorium, Hydrogène (Deutérium)

• Renouvelés

• Rayonnement solaire, vent, hydraulique, biomasse

• Travail animal et humain

• Géothermie

Répartition par sources de laproduction d’énergie actuelle

1%Autres renouvelables

6%Hydraulique

12%Biomasse

6%Electronucléaire

20%Charbon

55%Hydrocarbures (pétrole et gaz naturel)

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Substitution énergétique (P.R. Bauquis)

Où sont les réserves fossiles?

Uppsala Hydrocarbon Group

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Constats:

• La substitution énergétique est lente: échelle dusiècle

• Le marché de l’énergie est durablement dominé parles hydrocarbures

• «!L’âge de pierre ne s’est pas achevé par manquede pierres!!»

• Le prix de l’énergie est une incitation efficacepour réaliser des économies

1973 choc pétrolier et pays del’O.C.D.E.

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Tendances lourdes 1

! Baisse de l’intensité énergétique

! Augmentation de la consommationdans le tertiaire et les transports

Intensité énergétique(J.M. Martin)

13

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

12O

1OO

8O

6O

4O

2O

O

100,7

57,9 53,8

3,4

Résidentiel-tertiaire

Industrie

Transports

Agriculture

64,3

59,4

32,4

3,2

Evolution de la consommation d!énergie

en France par secteur (en Mtep)

spectres

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Questions

1) Allons nous manquer de pétrole?

2) Sommes nous menacés par unréchauffement global?

La civilisation des hydrocarburesn’est pas durable!

• Réserves limitées

• Emission de gaz à effet de serre:

> 25 milliards de tonnes de CO2 par an à réduire d’un facteur 2 (4 en Europe) Menace d’un réchauffement climatique

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Partage du marché de l’énergie

2010 Potentiel 2050

Marché des énergies primaires

NB.

1) Les gaz de schistene sont pas pris encompte

2) La fusion n’est pasencore là!

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Estimations des réserves (en GTep) : 1 fossiles (diverses sources de données)

Prouvé Potentiel (WEC) Lahérrère

Charbon 530 1890 750

Pétrole conventionnel 150 312 270

Pétrole non conventionnel 130-250

Gaz naturel* 190 218 280

* à l’exception des gaz de schiste

2 fissiles (selon Bouneau et al. Annales de Physique, EDP-Sciences, 2009).

Réserves estimées (GTep)

180-420 Sans surgénération

+ 45 000 dans les océans Uranium

Avec surgénération 27 000-84 000 sans les océans

Thorium Avec surgénération Comparables à l’uranium sans les océans

Ressources

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Total des fossiles (Gtep/an)

Ressources

Source Origine Réserves Contributionà l'effet de

serre

Charbon Résidus debiomasse

> 200 ans Importante

Hydrocarbures Résidus debiomasse

100 ans ? Importante

Fission (U, Th) Nucléosynthèsestellaire

10 000 ans Faible

Fusion (D) Primordiale"Big bang"

> 109 ans Négligeable

Renouvelables Faible

avec surgénération

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Un modèle:

l’équation logistique

!

dXdt

= " X N#X( )

Jean Lahérrère

19

Jean Lahérrère

Jean Lahérrère

20

Un couple INFERNAL

Energie/environnement:

! Induites par l’activité humaine, des concentrationsanormales de gaz à effet de serre (G.E.S.) dans l’atmosphèreconstituent aujourd’hui la principale atteinte à notreenvironnement.

! Tous les actes de la vie courante y contribuent

" Se chauffer" Se déplacer" Manger" Produire puis livrer

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Les déterminants naturels du climat

• Ensoleillement• Soleil• Mouvement de la Terre sur son orbite:

excentricité, obliquité, précession

• Influence de l’atmosphère

• Influence des océans

Informations extraites des glaces(Groenland, Antarctique)

• Température régnant lors de laformation de la glace

• Composition de l’atmosphère au mêmemoment

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Températures

Sans l’intervention d’autres effets, le simple équilibreradiatif de la Terre sous l’action du rayonnement solaire setraduirait par une température superficielle de -18°C. Notreplanète serait inhabitable.

La présence d’une atmosphère et de l’effet de serrenaturel qui lui est associé élève la température moyenne de lasurface terrestre jusqu’à 15°C.

Du point de vue des échanges thermiques, la Terre estun système naturel remarquablement stable («!Gaia!») avecdeux régulateurs : l’atmosphère et l’océan

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Schéma simplifié des flux d’énergie

Machine climatique

JL Dufresne

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Les gaz à effet de serre

• La vapeur d’eau H2O (peu influencée par l’activité humaine)• Le dioxyde de carbone ou «!gaz carbonique!» CO2

• Le méthane ou «!gaz naturel!» CH4

• Le protoxyde d’azote N2O• Les halocarbures CxHyFzClt• Un gaz sans émission directe l’ozone O3

A part la vapeur d’eau, les autres gaz à effet de serresont présents dans l’atmosphère en très petite proportion.Le CO2 autour de 3/10!000, le CH4 autour de 7/107.

Certains sont là pour longtemps!

Quelques semaines à 50 000 ansHalocarbures

10 ansCH4

120 ansN2O

100 ansCO2

Quelques heures à quelques joursH2O

Durée de résidence dans latroposphèreGaz

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L’océan

• Inertie thermique

• Absorbe une partie du CO2 dégagé

• Participe aux échanges thermiques• changement d’état glace/eau

• circulation océanique

700 à 1!000 ans pour legrand tour

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Les activités humaines ont changé la composition de l’atmosphère

1!000 ans de climat:l’origine d’une controverse

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Climats du passé: divergences

Evolution récente de la température globale

Comment traiterle bord de

l’intervalle demesures?

?

28

Quel avenir? évolution future de la température moyennedu globe suivant différents scénarios

Que faire?

29

Avons-nous le choix?

Niveau de viede consommation

30

Consommation journalière

150 KWhEn 2000 chaque français utiliseen moyenne

50 KWhEn 2000 chaque être humainutilise en moyenne

2.7 KWhHomo prehistoricus

Impératifs

• Efficacité énergétique: tendance lourde àla baisse de l’intensité énergétique

• Décarbonisation: choix technologiques

• Sobriété énergétique: choix de société

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2000 2050

10 GTep

Fossiles

?

Wanted: stratégies de rupture

Décroissance

Décarbonisation

IEA Energy Technology Perspectives

• CCS fossil-fuel powergeneration

• Coal: integrated gasificationcombined cycle

• Coal: ultra supercritical

• Nuclear power plants

• Second generation biofuels

• Onshore and offshore wind

• Biomass integratedgasification combined cycleand co-combustion

• Photovoltaic systems

• Concentrating solar power

• Energy efficiency in buildingand appliances

• Energy efficiency in transport

• Heat pumps

• Solar space and water heating

• Electric and plug-in vehicles

• H2 and fuel cells vehicles

• CCS in industry H2 and fueltransformation

• Industrial motor systems

32

AIE 2009

Crise

Un guide: l’identité de Y. Kaya

!

QCO2 = QCO2

E

EPIB

PIBNPOP

NPOP

?Baisse de

l’intensité

énergétique

Développement

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Tendances lourdes 2

! Prise de conscience et évaluation desproblèmes à l’échelle planétaire

! Influence des militants de l’environnement

! N.I.M.B.Y (not in my backyard = pas dansma cour)

Stabilisation du CO2

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Lobbies

• Hydrocarbures• Gouvernements, Multinationales

• Industrie automobile, transporteurs…

• Masse de manœuvre financière: C.A. " $ 1013 par an (baril à $ 100)

• Guerre (Irak, Tchétchnénie, Georgie…) et intimidation (Russie/Ukraine,Venezuela)

• Eolien• Prix de rachat du KWh très rémunérateur

• Ecolo peut être, NIMBY à coup sur

• Nucléaire• Exception française: initiative régalienne, monopole d’un opérateur public

• Affaire d’états: Euratom, A.I.E.A., Génération IV, ITER

• Anti…

2005

35

2025-2030

• Hydrocarbures (pétrole et gaz) chers

• Economies d’énergie ? Réduction des G.E.S ?

• Production d’électricité• Nucléaire: vers la quatrième génération ?• Renouvelables émergents ?• Charbon avec séquestration du CO2 ? Gaz (cycle combiné)?

• Résidentiel tertiaire• Isolation• Biomasse ? Géothermie ?• Solaire thermique

• Transports• Piles à combustibles ?• Hydrogène ?

Facteurs d’émission en équivalent CO2 de la chaîne énergétiquecomplète des moyens de production d’électricité d’après D.

Weisser (IAEA) en g de CO2 par kWhel

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Energies nucléaires

• Réservées à la productiond’électricité

• L’énergie électriquereprésente– < 30% de l’énergie utile

consommée

– 25 à 30 % de l’énergieprimaire

• Problèmes d’acceptabilité

F. Carré

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Les océans, réservoirs de combustiblesnucléaires?

ou comment le nucléaire peut être durable

Deutérium 33 g/m3 45.200 milliards de tonnes

Lithium 0.17 g/m3 233 milliards de tonnes

Uranium 0.003 g/m3 4,5 milliards de tonnes

Thorium 10-7 g/m3 0,1 million de tonnes

Océans 1,37 1018 m3

La fusion: une énergie d’avenir…pour longtemps?

2050Années 2000

2000Années 1970

Dans 10 ansAnnées 1960

La fusion c’est pour…

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Au plus haut niveau

• 1985

approuvent le principe d’une collaborationinternationale sur la fusion.

– Ce sera finalement le projet I.T.E.R. (la voie?).

R. ReaganA. Trivelpiece

M. GorbatchevE. Velikov

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Un long fleuve tranquille…

Vie d’un grand Tokamak

JET ITER

1973-75 Elaboration du projet 1985-2001

1975-77 Discussions pour le choix du site 2003-2005

1983 Premier plasma 2019

1991 Première expérience DT ! 2026

1997 Pfusion: 16 MW (DT), Energie: 13 MJ.

2000 Rétrocession à la Grande Bretagne

2010 Expériences en vue d’ITER

18 ans 40 ans

Legrandprojet

10 m

40

ITER (Mégajoules) et la suite…

• Complexité technologique

• Gigantisme

• Lourdeur administrative

• Inertie

• Manque de “vista“

Horizon 2050

• Un objectif: la diminution par un facteur 4 des émissions de gaz àeffet de serre

• Hydrocarbures rares et hors de prix (réservés au transport aériens?)

• Génération d’électricité:• Réacteurs nucléaires de génération 4 (surgénérateurs)• Fusion: DEMO succède à ITER• Fusion: hybrides dans le cycle du combustible• Solaire photovoltaïque

• Transports• Nouvelles motorisations: biocarburants, hydrogène, PAC

• Habitat• Architecture et urbanisme adaptés à l’énergie solaire

41

0

10

20

3

0

Année

Consom

mation d

’én

erg

ie (

Gte

p)

2000

2020

2040

2060

2080

2100

CO2 550 ppm ?

!T > 2°C?

Un avenir?

6 milliards

d’habitants

8 à 10 milliards

d’habitants

Démarrage

ITER

Décision

DEMO

1er

watt

fusion

Impact

fusion?

Impact de la fusionscénario de Tokimatsu et al.

Innovative: satellite solar stations e.g.

42

Réduction des émissions de CO2

Innovative: satellite solar stations e.g.

Cauchemars…

Rêves…

43

Réduction des émissions de gaz àeffet de serre

Economie de guerre

Electronucléaire

Prix du baril

Effondrement économique

Que faire des neutrons de 14 MeV?

• Chauffer de l’eau

• Régénérer le Tritium

• Fissionner des noyaux lourds; U238, Pu, Th, actinides

• Après ralentissement: fabriquer des noyaux fissiles

• Eliminer des noyaux indésirables: produits de fission

44

Retour à la fission

neutron de 14 MeV

Plasma

Couverture

Si la couverture estfissile (U238), onobtient un gain d’unfacteur 10 au moins

14 MeV -> 200 MeV400 MW -> 4 GW!!(ITER) (EPR)

Extractiond’énergie

Une couverture pour optimiser l’énergie

45

Un tokamak dans le cycle du Thorium

Quand NIF devient LIFE

46

Vie d’un réacteur LIFE

On peut toujours rêver !

47

Et pourquoi ne pas capter l’énergiesolaire dans l’espace?

Les panneaux photovoltaïques de grandetaille pour station spatiale existent déjà

l’avenir serait-il ici?

48

…ou là?

La Lune est un réservoir d’hélium 3

• Ressource lunaire > 106 tonnes accumuléespar impact du vent solaire pendant 4 106 ans

• Réaction de fusion D-3He sans neutrons• Possibilité de conversion directe de l’énergie

des protons en énergie électrique• Température de fonctionnement 10 fois

supérieure à celle de D-T

49

Réaction DHe3 (pas de neutron) au lieu de DT

Taux de réaction

3! piliers technologiques

• Extraction et traitement du minerai sur laLune

• Ligne Terre-Lune de transport de fret

• Réacteurs de fusion thermonucléaire

50

Confinement électrostatiqueau lieu du confinementmagnétique: Possibilitéd’éviter le gigantisme ?Conversion directe del’énergie des protons?

U. Wisconsin

DHe3

Références• J.L. Bobin, L’énergie, Dominos, Flammarion (1996)• J.L. Bobin, H. Nifenecker, C. Stéphan, L’énergie dans le monde: bilan

et perspectives, EDP-Sciences (2001, 2e ed. 2007)• J.L. Bobin, Les déconvenues de Prométhée, Atlantica (2001)• J.L. Bobin, Introduction à la fusion thermonucléaire contrôlée, EDP-

Sciences (2011)• C. Ngo, L’énergie. Ressources, technologies et environnement. Dunod

(2002)• J.L. Bobin, E. Huffer, H. Nifenecker, L’énergie de demain, EDP-

Sciences (2005)• F. Dehnez, Atlas de la menace climatique, Autrement (2005)• Actes des Journées de l’énergie, Palais de la découverte (2001)• Mémento sur l’énergie, C.E.A. (Edition annuelle)• Les chiffres clé de l’énergie, Documentation Française (Edition

annuelle)• Futuribles, n° 315 (2006); n° 373, n° 376 (2011); téléchargeables• Climat: les temps changent, Le Monde Dossiers et Documents (2005)• Académie des Sciences, La fusion nucléaire, EDP-Sciences (2007)• J.M. Jancovici, http://www.manicore.com