Abstract

Nuclear power provides approximately 17% of the world’s electricity, which is equivalent to a reduction in carbon emissions of ~0.5 gigatonnes (Gt) of C/yr. This is a modest reduction as compared with global emissions of carbon, ~7 Gt C/yr. Most analyses suggest that in order to have a significant and timely impact on carbon emissions, carbon-free sources, such as nuclear power, would have to expand total production of energy by factors of three to ten by 2050. A three-fold increase in nuclear power capacity would result in a projected reduction in carbon emissions of 1 to 2 Gt C/yr, depending on the type of carbon-based energy source that is displaced. This three-fold increase utilizing present nuclear technologies would result in 25,000 metric tonnes (t) of spent nuclear fuel (SNF) per year, containing over 200 t of plutonium. This is compared to a present global inventory of approximately 280,000 t of SNF and >1,700 t of Pu. A nuclear weapon can be fashioned from as little as 5 kg of 239Pu. However, there is considerable technological flexibility in the nuclear fuel cycle. There are three types of nuclear fuel cycles that might be utilized for the increased production of energy: open, closed, or a symbiotic combination of different types of reactor (such as, thermal and fast neutron reactors). The neutron energy spectrum has a significant effect on the fission product yield, and the consumption of long-lived actinides, by fission, is best achieved by fast neutrons. Within each cycle, the volume and composition of the high-level nuclear waste and fissile material depend on the type of nuclear fuel, the amount of burn-up, the extent of radionuclide separation during reprocessing, and the types of materials used to immobilize different radionuclides. As an example, a 232Th-based fuel cycle can be used to breed fissile 233U with minimum production of Pu. In this paper, I will contrast the production of excess carbon in the form of CO2 from fossil fuels with the production of plutonium in a uranium-based nuclear fuel cycle, with special emphasis on the “mineralogical solution” for the “sequestration” of Pu into pyrochlore structure-types.

Abstract

L’énergie nucléaire fournit environ 17% de l’énergie électrique à l’échelle mondiale, ce qui équivaut à une réduction des émissions de carbone d’environ 0.5 gigatonnes (Gt) par année. Il s’agit d’une réduction plutôt modeste comparée aux émissions globales de carbone, environ 7 Gt C par année. Dans la plupart des analyses, il ressort qu’afin d’avoir un impact marqué et à point sur les émissions de carbone, des sources d’énergie sans carbone, par exemple l’énergie nucléaire, devront fournir une portion accrue de l’énergie totale, selon un facteur de trois à dix avant 2050. Une augmentation selon un facteur de trois mènerait à une réduction prévue des émissions de carbone de 1 à 2 Gt C par année, dépendant de la nature de la source à base de carbone qui se trouve remplacée. Une telle augmentation par un facteur de trois fois mettant en oeuvre les percées technologiques actuelles dans le domaine nucléaire mènerait à 25,000 tonnes de combustible nucléaire usagé par année, contenant plus de 200 t de plutonium. Ceci compare avec un inventaire global actuel d’environ 280,000 t de combustible nucléaire usagé et plus de 1,700 t de Pu. On peut fabriquer une arme nucléaire avec aussi peu que 5 kg de 239Pu. Il y a toutefois une flexibilité technologique considérable dans le cycle des combustibles nucléaires. Trois sortes de tels cycles pourraient être utilisés pour une production accrue d’énergie: cycle ouvert, cycle fermé, ou une combinaison symbiotique de différents types de réacteur (par exemple, réacteur thermique et réacteur à neutrons rapides). Le spectre d’énergie neutronique exerce un effet important sur le taux de formation des produits de fission; la consommation d’actinides à longue demi-vie par fission favorise l’utilisation de neutrons rapides. Dans chaque cycle, le volume et la composition des déchets nucléaires fortement radioactifs et des matériaux fissiles dépendent du type de combustible nucléaire, la portée de la combustion nucléaire, le degré de séparation des radionucléides au cours du retraitement du combustible, et la nature des matériaux utilisés pour immobiliser les divers radionucléides. A titre d’exemple, un cycle de combustible nucléaire fondé sur 232Th pourrait servir à produire de l’uranium fissile 233U avec un minimum de Pu produit. Ici, je contraste la production d’un excédent de carbone sous forme de CO2 à partir des sources d’énergie fossiles avec la production de plutonium dans un cycle de combustibles nucléaires fondé sur l’uranium, avec emphase particulière sur la “solution minéralogique” de séquestration du Pu dans des composés du groupe du pyrochlore.

(Traduit par la Rédaction)

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