Machines à vapeur

Attention ! Question piège :

Qui a inventé la machine à vapeur ?

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La réponse ?

Tous ont apporté leur pierre à l’édifice. La nature du développement technologique est ainsi – chaque inventeur se tient sur les épaules des géants qui l’ont précédé.

L’histoire du développement humain est étroitement liée au coût de l’énergie. Les humains chasseurs-cueilleurs de la préhistoire ont besoin d’une grande superficie de terrain pour survivre. Une population plus importante devient possible avec l’agriculture, puis en remplaçant l’énergie mécanique des hommes par celle des animaux de trait. Mais à la fin du moyen âge, l’Europe est confrontée à la catastrophe écologique de la déforestation. On commence alors à exploiter l’énergie thermique de la houille, mais les réserves disponibles près de la surface sont rapidement épuisées.

Thomas Newcomen combine les idées de Denis Papin et Thomas Savery pour inventer en 1712 la première machine à vapeur utilisée commercialement, pour extraire l’eau des mines et permettre une extraction en profondeur.

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Avec cette machine thermique les humains sont enfin capables de transformer l’énergie thermique en énergie mécanique. C’est le début de la révolution industrielle.

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Le coût de l’énergie issue d’une machine thermique est composé :

  • du coût du capital de la machine
  • du coût du carburant pour la source de chaleur
  • des coûts de fonctionnement

La machine de Newcomen est capable de convertir en énergie mécanique seulement 1,3% de l’énergie dans le charbon qui l’alimente. Avec ce faible rendement, son coût du carburant est très important, mais il faut attendre 58 ans et l’invention de James Watt pour faire mieux.

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La genie de Watt est de réaliser que la machine de Newcomen gâche presque trois quarts de l’énergie de la vapeur en chauffant le piston et la chambre. Avec une chambre de condensation séparée, le rendement est plus que doublé. Le coût de la machine étant similaire, l’énergie produite coûte bien moins cher.

Watt s’associe alors avec Matthew Boulton. Les revenus de leur entreprise « Boulton & Watt » sont avant tout générés par les économies en charbon réalisées par les propriétaries des machines.

Pensez-vous que James Watt a inventé la machine à vapeur ?

Rendement des machines à vapeur

Source : « Dynamics of Technological Change« , L.A. Girifalco, p.484

L’histoire de la révolution industrielle est une course pour atteindre des rendements toujours plus importants des machines thermiques. C’est vrai que Watt y a largement contribué, mais cette démocratisation du coût de l’énergie qui rend possible la vie moderne est le travail de multiples inventeurs et ingénieurs.

La machine de Newcomen, utilisée uniquement dans les mines, a rapidement été remplacée par celle de Watt. Avec un coût de l’énergie toujours en baisse grâce aux améliorations en continu chez Boulton & Watt, leur machine remplace également l’énergie éolienne des moulins à vent et l’énergie hydraulique des roues à aubes, devenant de plus en plus utile.

Il est étonnant dans le graphique ci-dessus de remarquer qu’il faut 200 ans pour passer d’un rendement de 1,3% au rendement de 20% de la première turbine de Charles Parsons. On ne peut jamais sous-estimer la difficulté que présente le changement technologique – souvent les technologies nécessaires à la fabrication d’une machine rentable progressent moins vite que les théories et les idées des inventeurs.

Aujourd’hui les turbines dans les centrales électriques à cycle combiné gaz permettent d’atteindre des rendements supérieurs à 61%, mais les temps modernes ont vu un autre progrès important dans les machines à vapeur, du côté de la source de chaleur.

EPR Flamanville

Une grande machine à vapeur actuellement en construction à Flamanville

Les combustibles nucléaires à base d’uranium et thorium ont une densité énergétique environ 1 million de fois supérieure aux combustibles fossiles, mais les machines pour extraire cette énergie sont bien plus complexes que les chaudières des anciennes machines à vapeur. Le nucléaire a donc une logique économique différente, où le coût du carburant est minime et le capital investi dans la machine représente la plupart du coût de l’énergie.

En 2016 l’humanité est confrontée au réchauffement climatique. Malgré le progrès des énergies renouvelables et du nucléaire à bas carbone, les énergies fossiles progressent plus vite parce qu’elles sont moins chères. L’histoire de la machine à vapeur nous montre que la prospérité humaine progresse quand le coût de l’énergie diminue. Le défi majeur du 21ème siècle est d’atteindre une prospérité décente pour chaque humain et simultanément d’arrêter le réchauffement climatique et réduire l’impact des humains sur l’environnement. La conférence COP21 a échoué à mettre en place une taxe carbone parce qu’il est politiquement impossible de rendre l’énergie plus chère, même si elle est sale. L’énergie propre est un problème d’ingénierie – elle doit être moins chère que le charbon.

Le développement commercial de la fission nucléaire a atteint un niveau très similaire à celui de la machine à vapeur il y a 250 ans.

  • Après des premières expériences, un seul principe a été déployé commercialement
  • Cette technologie a atteint ses limites
  • La technologie est sur le marché depuis plus de 50 ans
  • L’utilisation du carburant est faible
  • Le coût de l’énergie produite n’est pas très competitif avec les alternatives sur le marché
  • Quelques centaines de machines ont été produites
  • Les machines ont une seule utilisation commerciale
  • La civilisation humaine est face à une crise environnementale
  • Le rythme de déploiement des machines est insuffisant pour résoudre cette crise environnementale.
  • Le potentiel théorique reste immense
  • Un système amélioré a été inventé, avec le potentiel de faire une rupture dans le coût de l’énergie
  • Ce nouveau système est en cours de développement
  • L’industrie établie a dénoncé la faisabilité du nouveau système [1]

Tout comme Boulton & Watt, les innovateurs actuels dans l’énergie nucléaire ont réalisé l’importance primordiale de réduire le coût de cette énergie. Mais au lieu de viser une meilleure utilisation du carburant, les principes économiques de l’énergie nucléaire nécessitent de réduire le coût de la machine.

Alors, pourquoi les systèmes d’énergie nucléaires actuels sont-ils chers?

Quand on fissionne le noyau d’un atome, deux nouveaux atomes sont générés qui s’appellent des produits de fission. Ils sont très radioactifs et hasardeux pour les humains. Ces atomes se désintègrent sur des périodes plus ou moins longues jusqu’au moment où ils deviennent des isotopes stables qui ne sont plus hasardeux.

Dans les réacteurs à eau pressurisée utilisés aujourd’hui, le combustible est un solide. Les produits de fission restent enfermés dans cette matière solide mais peuvent s’échapper si le combustible chauffe et fond. Comme certains produits sont des gaz, un confinement du réacteur est nécessaire pour éviter leur dispersion dans l’atmosphère en cas d’accident. Ce confinement est compliqué et cher parce que le système fonctionne avec une pression très élevée. Ces fragilités nécessitent l’utilisation de nombreux systèmes de sécurité compliqués et onéreux pour garantir un niveau de sûreté acceptable.

Le coût d’un système d’énergie nucléaire est une fonction du profil de sécurité intrinsèque du système de réacteur.

Dans un réacteur à sels fondus le combustible est un liquide. Le mélange de sels est choisi pour rester liquide sur une grande plage de températures, et pour pouvoir dissoudre la matière fissile et la plupart des produits de fission sous la forme de sels qui sont chimiquement très stables. La dilatation du liquide selon la température assure un fort coefficient de contre-réaction qui donne une stabilité dynamique de fonctionnement, à pression atmosphérique. Avec une sécurité intrinsèque assurée par cette conception chimique, la « fission liquide » permet d’envisager un système de réacteur plus simple et bien moins cher.

Une course internationale a commencé pour lancer cette technologie sur le marché. La magie de l’entrepreneuriat, quand un architecte technique avec une idée rencontre un investisseur avec des fonds, est à l’oeuvre pour concevoir puis construire ces machines, avec des millions de dollars engagés. La rupture technologique de la fission liquide n’est plus une question de « si ». C’est une question de « qui » et de « quand ».

Qui seront les Boulton & Watt du 21ème siècle ?

Partenariats

L’énergie nucléaire suivra la même courbe de développement que la machine à vapeur, mais avec un décalage d’environ 250 ans. Avec un coût compétitif et une capacité de production importante, elle contribuera activement à lutter contre le réchauffement climatique.

Pour les systèmes à fission liquide en développement aujourd’hui, les principaux éléments de création de valeur qui permettront de réduire le coût de l’énergie seront :

  • La sécurité intrinsèque d’un combustible liquide chimiquement stable
  • Une conception élégante et simplifiée, avec une architecture astucieuse du système complet
  • Une température de fonctionnement plus élevée
  • Une approche modulaire pour la fabrication des bâtiments et composants, l’assemblage et la mise en exploitation

Pour le futur, il reste un potentiel important de réduction de coût avec :

  • Des systèmes surgénérateurs
  • Des machines thermiques plus petites qui exploitent mieux les hautes températures de fonctionnement
  • Un cycle de combustible au thorium, ou qui incinère les déchets des réacteurs actuels
  • Des améliorations des matériaux pour prolonger la vie de certains composants
  • Un processus rationalisé pour l’attribution de licences d’exploitation

… sans mentionner les inventions à venir.

Et comme la machine à vapeur, les systèmes d’énergie nucléaire moins chers et plus compacts trouveront beaucoup plus d’utilisations :

  • Fourniture de chaleur pour les processus industriels
  • Production de carburants liquides de synthèse à partir d’eau et de dioxide de carbone
  • Dessalement de l’eau de mer
  • Alimentation de collectivités hors réseau
  • Propulsion marine

Ce futur est possible. Il est même probable car il est nécessaire. Avec l’esprit d’entreprenariat qui animait Boulton & Watt nous pouvons fabriquer des machines à vapeur modernes et moins chères qui seront un progrès pour l’humanité et pour la planète.

[1] Quand John Smeaton a vu la première machine de Watt, il a signalé à la société des ingénieurs que « ni les outils ni les ouvriers existent qui peuvent fabriquer une machine aussi complexe avec suffisamment de précision ».

UK flag Cet article a été publié en anglais sur le site de la « Alvin Weinberg Foundation »

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Le thorium, moins cher que le charbon ?

Pour un politicien ou fonctionnaire qui doit faire des choix difficiles avec un budget serré, quand il s’agit d’établir la politique énergétique d’un pays, les priorités sont :

1. Fiabilité
2. Coût
3. Environnement

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Un rapport de novembre 2012 du World Resources Institute a établi que 1199 centrales à charbon sont actuellement en construction ou en projet dans le monde.

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Cliquez pour la carte interactive

Le charbon est la source d’énergie la plus polluante. Si cette filière se développe aussi vite, c’est parce que le coût par kilowatt-heure n’est pas cher. Les lois du marché le garantissent.

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L’industrie nucléaire mondiale s’est déployée dans les années 1950/60 avec une technologie maitrisée, mais fragile – le réacteur à eau pressurisée (REP). Aux débuts de la première ère nucléaire, le fait que ce type de machine a un rendement inférieur à 1% n’était pas si important – la fission d’un seul atome d’uranium émet environ un million de fois plus d’énergie que la combustion d’hydrocarbures. 1 million x 1% = toujours 10 000 fois mieux !

Mais la technologie nucléaire est complexe, et l’investissement capital pour construire une centrale avec un REP est important. Le retour d’expérience suite aux incidents de sureté avec cette technologie a rendu cet investissement de plus en plus onéreux, jusqu’au point où aujourd’hui elle n’est pas très compétitive comparée aux centrales à combustibles fossiles.

Pour se déployer massivement, une nouvelle technologie d’énergie propre doit être moins chère que le charbon.

Alors prenons la technologie de la fission nucléaire, qui produit aujourd’hui 13% de l’électricité mondiale, et changeons UNE chose. Passons d’un combustible solide à un combustible liquide.

Quel liquide utiliser alors ? Et bien après un peu de recherche, il se trouve que les sels de fluorure fondus offrent les meilleures caractéristiques pour une utilisation dans un réacteur nucléaire homogène.

Et il se trouve aussi que le cycle de combustible au thorium est le mieux adapté pour un réacteur à sels fondus.

Wow ! C’est quand-même radicalement différent ! Combien ça coûte ?

L’état de développement des réacteurs à sels fondus ne permet pas aujourd’hui de donner une réponse précise à cette question. Mais pour Daniel Heuer, Directeur de recherche, Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble), dans un entretien récent avec ParisTech Review :

“Nous avons l’espoir que le réacteur que nous concevons serait moins cher qu’un réacteur à eau pressurisée, ce qui pourrait se révéler décisif au moment des arbitrages politiques et industriels. À titre personnel, je pense d’ailleurs que c’est la seule solution pour passer à la génération IV : avoir un réacteur qui soit moins cher qu’un réacteur à eau pressurisée. Cela reste à vérifier, et c’est l’une des raisons pour lesquelles il est important de continuer à travailler.”

Cette technologie peut-elle être non seulement moins chère qu’un REP mais aussi moins chère que le charbon ? Si aujourd’hui nous ne pouvons pas donner un prix précis pour une centrale avec réacteur à sels fondus, quels sont les facteurs qui la rendraient moins chère ?

Regardons d’abord le coût du réacteur :

FONCTIONNEMENT A FAIBLE PRESSION

 

Dans un réacteur à eau pressurisée (REP) comme un EPR, l’eau de refroidissement à 300°C est maintenue en état liquide par une pression de 150 atmosphères. En cas d’accident avec fuite d’eau, elle se transforme en vapeur. Le bâtiment réacteur est conçu pour éviter la dispersion de cette vapeur radioactive dans l’environnement. Dans un EPR, il dispose d’une double enveloppe de confinement d’1,30m d’épaisseur chacune. Un réacteur à sels fondus fonctionne à faible pression. Son bâtiment réacteur sera plus petit, moins épais et beaucoup moins cher à construire.

Cuve

Image : AREVA

La cuve d’un REP et les tuyaux de circulation sont en acier épais, pour résister à la pression. Pour la cuve d’un EPR les murs ont une épaisseur de 20 à 30 cm, et il pèse 420 tonnes. Une seule entreprise est capable de fabriquer ce genre de composant – le “Japan Steel Works” (Japon). A part le coût exorbitant, la faible capacité de production de ce genre de composant est aujourd’hui un frein au développement de l’industrie nucléaire. Dans un réacteur à sels fondus une épaisseur de quelques centimètres est suffisante.

UNE STABILITE THERMIQUE INTRINSEQUE

Barres de commande

Dans un REP la puissance de réaction est contrôlée par des barres de commande. Celles-ci absorbent des neutrons, ralentissant la réaction en chaîne. Quand on monte une barre, moins de neutrons sont absorbés et la réaction accélère; quand on descend une barre, la puissance de réaction diminue.
Dans un réacteur à sels fondus, la puissance est contrôlée par l’expansion du combustible liquide. Au dessus du cœur, il y a une sorte de “trop-plein”, physiquement écarté de la région où a lieu la réaction en chaîne.

stabilité thermique

 Quand le réacteur chauffe, le liquide se dilate et fait remonter le niveau dans le trop-plein. Il y a donc moins de matière fissile dans le cœur et la réaction est ralentie. Quand la température descend, le liquide se contracte et le niveau dans le trop-plein descend. Avec plus de matière fissile dans le cœur, la réaction en chaîne reprend. Une température de fonctionnement stable est atteinte rapidement. Ce mécanisme, qui simplifie considérablement la conception du réacteur, est possible uniquement avec un combustible liquide.

EVACUATION PASSIVE DE LA CHALEUR RESIDUELLE DE DESINTEGRATION

Générateurs

Images : AREVA

Quand on arrête un réacteur nucléaire, les produits de fission continuent de se désintégrer et à produire de la chaleur. C’est ce phénomène qui a provoqué les accidents majeurs de fusion de cœur à Three Mile Island et Fukushima. Dans un REP la circulation de l’eau de refroidissement est “garantie” par des générateurs diesel de secours. Dans un réacteur à sels fondus, l’état liquide du combustible permet de le vidanger dans des réservoirs où l’évacuation de chaleur se fait passivement. La forme de ces réservoirs étant différente de celle du cœur, l’atteinte d’une masse critique et donc le déclenchement d’une réaction en chaîne sont impossibles.

UNE MATIERE STABLE ET INERTE

Auxiliaires

Images : AREVA

Les sels fondus sont des matières stables et inertes; ils ne réagissent pas avec l’air ou l’eau. Le fluorure de lithium par exemple est le deuxième composé chimique le plus stable connu (après l’oxyde de béryllium). Une fusion du cœur est impossible – le combustible est déjà liquide. Même en cas d’accident grave avec un réacteur à sels fondus avec fuite de combustible liquide radioactif, les hasards et les risques pour l’environnement sont beaucoup moins importants qu’avec un REP. Un meilleur niveau de sécurité intrinsèque réduira le coût du réacteur – par exemple les systèmes d’absorption d’hydrogène d’un réacteur EPR ne seraient plus nécessaires.

RECHARGEMENT ET RETRAITEMENT EN LIGNE

Rechargement

Avec un combustible liquide, il n’y a pas besoin d’arrêter le réacteur tous les 18 mois pour rechargement, déchargement et repositionnement du combustible, ce qui grève le rendement de la centrale. Les machines qui font la manutention des assemblages de crayons de combustible ne seraient plus nécessaires.

Retraitement_en_ligne
Le retraitement des déchets est facilité par l’état liquide du combustible. Un retraitement chimique sur site sépare les produits de fission du mélange de sels, combustible et actinides. Ces derniers sont renvoyés dans le réacteur pour fissionner et produire de l’énergie, ce qui augmente le rendement et réduit la production de déchets.

Retraitement

Pour les combustibles solides, il est nécessaire de transporter tout le combustible irradié dans une usine dédiée où des processus complexes et chers les transforment, pour retraitement chimique … en liquides !

UN MEILLEUR RENDEMENT THERMIQUE

Rendements

Image : K Sorensen

Avec une température de fonctionnement de 300°C, un REP est capable de transformer 33% de sa chaleur en électricité. Les sels fondus sont liquides sur une plage de 1000°C, et avec une température de fonctionnement autour de 700°C, on peut atteindre un rendement proche de 50%.

Cycle Brayton fermé

Image : R Hargraves

Un réacteur à sels fondus peut être couplé à un système de conversion de puissance Brayton à cycle fermé, à hélium ou CO2. Ces systèmes sont beaucoup moins grands qu’une turbine à vapeur, ce qui permettrait également de réduire la taille du hall du groupe turbo-alternateur.

REFROIDISSEMENT A L’AIR

Tour

Pour des réacteurs à sels fondus de puissance moyenne, le meilleur rendement serait un facteur qui permettrait d’envisager un refroidissement à l’air du cycle de conversion de puissance, évitant la contrainte d’une installation près d’une source d’eau.

FAIBLE TAILLE

La capacité thermique des sels fondus est supérieure à celle de l’eau dans un REP ou du sodium dans un Réacteur à Neutrons Rapides (RNR). Les géométries du cœur et des boucles de transfert de chaleur peuvent être plus compactes, réduisant les coûts de matières pour leur fabrication.

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Il serait possible de fabriquer des réacteurs de puissance moyenne en usine et de les transporter par camion pour installation dans une centrale. L’effet volume serait un facteur important pour réduire les coûts. Avec un nombre plus important de réacteurs de puissance moyenne, les coûts de distribution d’électricité seraient réduits.

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Cela fait déjà 8 raisons de penser qu’un réacteur à sels fondus serait moins cher à concevoir et à construire qu’un REP. Pour ceux qui auraient encore des doutes, regardez cette vidéo AREVA sur EPR en vous demandant combien ça coûte. Regardons maintenant les différences au niveau du cycle de combustible, qui influencent le coût de l’énergie :

FABRICATION DU COMBUSTIBLE SOLIDE ELIMINEE

Fabrication Combustible

Pour fabriquer le combustible solide d’un REP, l’oxyde d’uranium en poudre est comprimé en pastilles cylindriques qui sont cuites à 1700°C pour les rendre compactes et solides. On fabrique avec précision une gaine de zirconium pour entourer les pastilles de combustible. On fait un tri manuel des pastilles selon leur contenu en uranium 235 fissile pour optimiser leur position dans la gaine et donc dans le réacteur. On insère les pastilles dans la gaine pour former un crayon de combustible, qui est rempli d’hélium et fermé par un bouchon, avec une étanchéité parfaite. Ces crayons sont regroupés dans un assemblage fabriqué, avec précision, de zirconium et d’acier inoxydable.

En regardant cette vidéo AREVA, on comprend bien pourquoi la fabrication d’un combustible solide coûte aussi cher. Tous ces processus sont éliminés avec un réacteur à combustible liquide.

LE THORIUM EST ABONDANT ET PAS CHER

Sphere Thorium

Image : R Hargraves

Une tonne de thorium suffit pour alimenter un réacteur à sels fondus qui produit 1000MW d’électricité, pendant un an. Le coût d’une tonne de thorium est de l’ordre de 250 000€, soit 0,00003€ / kWh – négligeable !

La concentration moyenne du thorium dans la croûte terrestre est d’environ 12 parties par million. Les réserves connues sont suffisantes pour alimenter les besoins énergétiques de la planète pendant plusieurs millénaires. On peut vraiment parler d’énergie renouvelable.

ENRICHISSEMENT D’URANIUM REDUIT

Enrichissement

Image : World Nuclear Association

Un réacteur à sels fondus a besoin de matière fissile pour démarrer, le thorium étant un combustible fertile qui a besoin de l’impact d’un neutron pour se convertir en uranium 233. Cette matière fissile peut être de l’uranium enrichi. L’enrichissement de l’uranium par centrifugeuse est un processus qui coûte cher, mais qui est nécessaire pour le démarrage initial uniquement.

MOINS DE DECHETS

REP vs RSF

Image : R Hargraves

 

Un réacteur à sels fondus produit moins d’un pour cent d’isotopes transuraniens radioactifs, par rapport à un REP. C’est la production de chaleur de ces isotopes qui est le principal inducteur de coût pour les sites de stockage des déchets radioactifs en couche géologique profonde.

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Comme nous avons noté au début, dans le monde politique le coût d’une source d’énergie est bien plus important que les considérations de l’environnement. Pour démontrer que l’énergie du thorium sera moins chère que le charbon, il faut lancer un avant projet de réacteur à sels fondus, associé à une étude économique objective et impartiale. En France, le CEA serait bien placé pour réaliser de telles études, mais il faudrait qu’il soit ainsi missionné par l’Etat. Si vous soutenez cette démarche, envoyez le lien pour cet article (http://wp.me/p2oTUJ-4M) à votre élu. C’est aussi votre facture d’énergie qui est en jeu…

Facture EDF

Article inspiré par le livre de Robert Hargraves : Thorium energy cheaper than coal

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