Bravo Monsieur !

Ton exposé est impressionnant et très pédagogique. Peut-être ne retiendrai je pas tout, mais celà permet d'avoir une vision claire de l'ensemble, des différentes fonctions de l'utilisation de l'énergie nucléaire, de ses applications civiles et militaires et de ce que l'avenir nous prépare.

Même si on a jamais été confronté au nucléaire (perso j'ai fait du contrôle non destructif en centrales nucléaires quand j'étais jeune), et encore moins aus soums nucléaires.

Merci.

Pour Patrick ROYER :

Depuis 1963, j'ai passé 33 ans au CEA où je travaillais en physique des particules élémentaires et plus particulièrement sur le développement des aimants supraconducteurs et de leur cryogénie. A ce titre, je suis souvent allé au CERN, soit en visite auprès de spécialistes pour discuter de développements, soit pour intervenir sur certaines manipes. J'ai notamment participé à la conception, à la "fabrication" du conducteur, aux mesures de courant critique sur une maquette et, de plus loin, à la fabrication à Saclay du solénoïde supraconducteur d'ALEPH monté sur le LEP. Je suis donc descendu dans les "alvéoles" d'ALEPH, DELPHI, OPAL et L3 et j'ai pu parcourir une partie des 27 km du tunnel de l'accélérateur de particules Large Electron Positron (LEP) sur lequel tu as travaillé. En effet, c'est dans le tunnel du LEP (demantelé) qu'est monté aujourd'hui le LHC.

En fait ùon rôle était de mettre sous ultravide es chambres inox des 4 secteurs d'experience( e reste de l'anneau etant en alu,dégazé avec un circuit fermé d'eau chaude. Je prenais les circuits à la PA et je devais es remettre aux physiciens avec un vide le plus bas possible ( dans les bas 10-11 mb)
Autrement mon Job était aussi le comissionning des tanks ZL ( tanks supraconducteurs de 'époque mais refroidies à l'azote liquide)

En lisant les posts de Patrick ROYER je viens de constater que j'avais commis une erreur en baptisant accélérateur de particules le LEP. Il s'agissait en fait d'un double accélérateur antagoniste appelé collisionneur. En effet il était composé de deux anneaux d'accélération superposés dans lesquels circulaient en sens inverse des électrons et des positrons ou positons (électrons positifs). Il y avait quatre croisements des faisceaux de particules où se produisaients des collisions et autour desquels avaient été installés quatre gros détecteurs de particules nommés ALEPH, DELPHI, OPAL et L3. Si on reprend la comparaison avec le boulevard périphérique de Paris, les détecteurs se situaient respectivement à la porte d'Italie, à la porte de Saint-Cloud, à la porte de Clichy et à la porte des Lilas. Pour rejoindre les divers sites, la route passait la frontière franco-suisse en plusieurs endroits.
Ces intallations ont permis aux physiciens des particules de mettre en évidence les bosons intermédiaires W+, W- et Z0 porteurs de la force faible. Carlo ROUBBIA et Simon Van der MEER ont obtenu le prix Nobel de Physique en 1984 pour l'unification de la force faible et de la force électromagnétique en force électrofaible.

Le CERN vu du ciel


La photo n'est pas bonne mais elle permet de se faire une idée plus précise de la situation du LEP, qui va devenir LHC.

Pour en revenir aux SNLE, j'ai trouvé sur le site du CEA une présentation animée que je n'ai pu transférer, aussi, je vais afficher les différentes informations fournies ci-dessous, puis je terminerai par une animation que j'ai moi-même réalisée tout à l'heure :

Petite "cerise sur le gâteau", une animation d'un SNLE-NG en plongée. Le sous marin remonte son périscope pour faire un tour d'horizon en surface, puis il lance un missile.



Le gif animé comporte 24 image et "pèse" environ 660 octets...

c bo tu es un as

bonsoir,

bonnerue je te remercie pour ton exposé que j'ai eu plaisir à lire mais faut t'avouer je n'ai pas tout compris et tu m'en excuseras mais bravo......comme le dit tabletop83 : t'es un as.

je me suis permis de faire suivre le lien couvrant ton exposé à mon gendre qui est prof à l'école militaire de cherbourg.

merci amicalement rené

Merci Daniel pour cet exposé !
Je mourrai moins idiot (si je meurs un jour !)

Un grand merci Daniel, ce qui ce conçoit bien s'énonce bien. :D
Rentre un tel sujet compréhensible, bravo.

Avertissement : Les membres de l'équipagne craignant de contracter une douloureuse migraine à la lecture de ce post sont conviés à partir se désaltérer dans un des lieux prévus à cet effet à bord de notre fier navire.

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Dans ce post, nous allons aborder une des manières, avec l’utilisation de l’énergie nucléaire, de prendre dans un avenir proche le relais des hydrocarbures fossiles en voie de raréfaction.

L’Hydrogène (H)

Comme nous l’avons vu dans un post précédent concernant l’énergie nucléaire, l'atome d'hydrogène est composé d'un proton et d'un électron. C'est donc le plus simple atome qui existe. L'élément chimique hydrogène est le premier du tableau périodique des éléments chimiques.

Sur terre et hormis les composés avec d'autres atomes, cet élément chimique se présente le plus souvent sous la forme d'un corps simple gazeux : le dihydrogène (H2), souvent appelé simplement "hydrogène". L'hydrogène est présent dans de nombreuses molécules : eau, sucre, protéines, hydrocarbures.

Il est également le principal constituant du Soleil et de la plupart des étoiles, dont l'énergie provient de réactions de fusion thermonucléaire de l'hydrogène.

Étonnamment, l'hydrogène est un métal : lorsqu'il est sous forme solide (très hautes pressions et très basses températures), il cristallise avec une liaison métallique (voir hydrogène métallique). Dans le tableau périodique des éléments, il est d'ailleurs dans la colonne des métaux alcalins. N'étant pas présent à l'état solide sur Terre, il n'est toutefois pas considéré comme un métal en chimie. De façon simpliste sa nature métallique est due à son électron périphérique sur son unique et dernière couche saturée à deux électrons.

Le dihydrogène est un composé moléculaire à l'état gazeux aux conditions normales de pression et de température. Les molécules comportent deux atomes d'hydrogène, sa formule chimique est H2. Il est présent sous forme de traces (0,5 ppm) dans l'air. Il est fréquemment appelé, mais par erreur, «hydrogène».

C'est un gaz léger que la gravité terrestre ne peut d'ailleurs retenir. Il fut employé dans les ballons dirigeables de type Zeppelin, utilisant les propriétés de la poussée d'Archimède, avant d'être remplacé par l'hélium moins dangereux car non combustible. Il brûle dans l'air en produisant de l'eau, d'où son nom (hydrogène = qui fabrique de l'eau).

Le dihydrogène possède une température de vaporisation de 20,27 K (-252,88° C) et une température de fusion de 14,02 K (-259,13° C). Sous de très fortes pressions, comme celle qui existent au centre des planètes géantes gazeuses, ces molécules se dissocient et l'hydrogène devient un métal liquide. Dans l'espace, les nuages de H2 sont à la base du processus de formation des étoiles.

L'hydrogène est l'élément le plus abondant de l'univers : 75% en masse et 90% en nombre d'atomes. Cet élément se trouve en grande quantité dans les étoiles et les planètes gazeuses. Relativement à son abondance dans l'univers, l'hydrogène est très rare dans l'atmosphère terrestre : environ 1 ppm en volume.

Sur Terre, la source la plus commune d'hydrogène est l'eau dont les molécules sont composées de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène ; mais la plupart des matières organiques, comme celle qui constitue les êtres vivants, le pétrole et le gaz naturel, sont des sources d'hydrogène. Le méthane (CH4), qui est un produit de la décomposition des matières organiques, est de plus en plus utilisé comme source d'hydrogène.

Production d’hydrogène à l’aide de réacteurs nucléaires

Les générations de réacteurs nucléaires se suivent, mais ne se ressemblent pas !

La première génération, mise en service avant les années 1970, avait pour mission initiale la production de plutonium à des fins militaires, puis le développement progressif de la production d'électricité.

La deuxième génération, née dans les années 1970 et qui constitue la majorité du parc mondial actuel, avait pour fonction principale de réduire la dépendance énergétique des pays vis-à-vis du pétrole. En France, cette génération s'est accompagnée d'une politique de recherche intensive sur le retraitement des déchets.

La troisième génération, décidée après les accidents de Three Mile Island (1979) et de Tchernobyl (1986), se devait d'améliorer la sûreté et de redonner confiance dans la filière nucléaire. Le résultat en France de ces études communes franco-allemandes (FRAMATOME et SIEMENS) est le réacteur EPR (European Pressurised Reactor). Un exemplaire a été commandé par TIPO, société privée finlandaise, à la firme AREVA. Le gouvernement français a donné aussi son accord pour la commande par EDF d'un réacteur analogue. Bien que des améliorations aient été obtenues au niveau de la sûreté et du rendement énergétique, le problème des déchets n'est pas encore totalement résolu l'abandon de Super Phénix (merci aux opposants systématiques à toute forme de progrès, même aux éoliennes) ayant privé la France de son avance dans l'utilisation plus complète de l'uranium.

Les réacteurs de quatrième génération devront y répondre de façon plus satisfaisante. Ils sont étudiés dans le cadre d'une association dite Forum International Génération IV, en vue d'une maturité technique autour de 2030 et d'un développement industriel vers 2035-2040. Ces réacteurs de quatrième génération devraient permettre des utilisations plus diversifiées (électricité, hydrogène, eau potable, chaleur).

L'hydrogène comme vecteur d'énergie

L'hydrogène est régulièrement cité comme source d'énergie d'avenir. Il s'agit là non de l'élément hydrogène mais du dihydrogène, qui est un combustible propre, mais qui n'est pas présent dans l'atmosphère sauf à l'état de traces. Il ne s'agit donc pas d'une source d'énergie primaire, ou fossile, mais d'un moyen de stockage de l'énergie, comme une batterie. L'hydrogène suscite beaucoup d'espoirs car il apporterait une réponse à deux des principaux défis énergétiques du XXIème siècle :

• l'épuisement progressif des sources d'énergie non renouvelables.
• l'émission de gaz à effet de serre par les sources d'énergie utilisées actuellement, la combustion de l'hydrogène ne dégageant que de l'eau.

Il y a peu, Claude Mandil, directeur exécutif de l'Agence internationale de l'énergie, estimait ainsi que l'hydrogène devra « jouer un rôle crucial » dans l'économie mondiale. De nombreuses expériences ont été menées dans le domaine des véhicules propres. Chrysler-BMW possède une flotte de voitures (moteurs thermiques) roulant à l'hydrogène H2, sans pile à combustible, avec réservoir cryogénique (très basse température). Plusieurs pays européens subventionnent des programmes d'utilisation d'hydrogène dans les transports en commun. En France, par exemple, le CEA et PSA travaillent en commun sur ce sujet.

Toutefois la production, le stockage et le transport de l'hydrogène posent encore de nombreux problèmes technologiques, de sorte qu’on commence seulement à entrevoir son utilisation de masse.

• coût des piles à combustible : elles sont dotées de mousse de platine (catalyseur), très onéreuse. D'autre part, la sécurité de ces piles sur une longue durée n'est pas assurée. Toutefois, des équipes du CEA travaillent sur des technologies permettant de réduire le coût et d’augmenter la durée de vie des piles à combustible.
• production : par combustion d'énergies fossiles, on retombe alors dans les problèmes évoqués précédemments. Mais on peut alors le produire à bord de véhicules. Par hydrolyse de l'eau, c'est alors moins efficace d'un point de vue énergétique, et ne peut être fait qu'à grande échelle. Se pose dans ce cas les problèmes de transport et de stockage.
• stockage : très peu dense, l'hydrogène doit être comprimé à des pressions très importantes pour être transportable dans un volume raisonnable. Outre les problèmes de sécurité qu'elle comporte, cette compression demande beaucoup d'énergie. Or la production de cette énergie, si elle est réalisée avec les moyens traditionnels, en particulier le charbon, risque d'émettre des gaz à effet de serre et d'annuler les avantages environnementaux apportés par l'utilisation de l'hydrogène. Cependant, il existe des moyens de stocker l’hydrogène sous basses pressions, c’est de construire des réservoirs pré-remplis de matériaux adsorbants qui constituent de véritables «éponges» : il y a l’oxyde d’uranium, mais il est très lourd, cependant il existe notamment les nanostructures de type fullerènes comme les nanotubes de carbone dont je vous ai déjà parlé.

Structure animé d'un nanotube de carbone







Photographie de nanotubes de carbone prise au microscope électronique à balayage



Les dimensions de ces nanostructures sont de l'ordre de quelques millionièmes de millimètre.
A l'observation, on peut voir que les interstices entre les atomes de carbone laissent beaucoup de place pour stocker l'hydrogène.

Stockage par adsobtion sur du Carbone

Cette technique permet de stocker en surface de certaines structures de carbone telle que du charbon actif ou des nanotubes les molécules de dihydrogène. Elle permet de stocker 0.05 à 2 % en masse de dihydrogène. Ce type de stockage est récemment passé du stade de recherche à celui de la réalisation concrète.

De nouveaux procédés apportent certaines réponses à ces enjeux. La technique de captation et de séquestration du charbon permettrait d'éviter l'émission de gaz à effet de serre lors de la production d'hydrogène, mais à un coût important : si la fabrication d'hydrogène (transport non compris) est évaluée à 120 $ le baril en utilisant du gaz naturel, il faut compter le double si on choisit le charbon et une technique de captation/séquestration. Une autre solution serait d'utiliser les réacteurs nucléaires de génération IV, capables de produire de l'hydrogène à bas coût à partir de l'eau. Ces réacteurs ne seront disponibles qu'à partir de 2030 ou 2040.

J’ai donc prévu d’équiper la centrale à hydrogène de notre fier navire «le Forum», d’un mini réacteur nucléaire expérimental de 4ème génération qui va produire, à partir de l’eau de mer, de l’hydrogène en grande quantité et à faible coût.

L’utilisation d'hydrogène constitue donc un espoir considérable pour la production d’énergie.

Piles à combustible

Généralités

Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité se fait grâce à l'oxydation sur une électrode d'un combustible réducteur (par exemple l'hydrogène) couplée à la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant, tel que l'oxygène de l'air. La réaction d'oxydation de l'hydrogène est accélérée par un catalyseur qui est généralement du platine. Si d'autres combinaisons sont possibles, la pile la plus couramment étudiée et utilisée est la pile dihydrogène-oxygène.

Le principe de fonctionnement

La pile à combustible fonctionne à l'inverse de l'électrolyse de l'eau. Elle transforme l'énergie chimique en énergie électrique. C'est un générateur.
• Elle ressemble à une pile ordinaire. Elle possède une cathode et une anode séparées par un électrolyte qui assure entre autres le passage du courant par transfert ionique des charges.
• Comme une pile classique, elle consomme son oxydant (ici l'oxygène O2) et son réducteur (ici l'hydrogène H2). Elle continue de fonctionner tant qu'elle est approvisionnée en hydrogène et oxygène. Le réducteur peut être du méthanol ou du gaz naturel.

Pile à combustible à l'hydrogène

Le fonctionnement d'une telle pile est particulièrement propre puisqu'il ne produit que de l'eau et consomme uniquement des gaz. Mais jusqu'en 2006, la fabrication de ces piles est très coûteuse, notamment à cause de la quantité non négligeable de platine nécessaire.

Une des difficultés majeures réside dans la synthèse et l'approvisionnement en dihydrogène. Dans la nature, l'hydrogène n'existe en grande quantité que combiné à l'oxygène (H2O), au soufre (S2O) et au carbone (combustibles fossiles de types gaz ou pétroles). La production de dihydrogène nécessite donc soit de consommer des combustibles fossiles, soit de disposer d'énormes quantités d'énergie à faible coût, pour l'obtenir à partir de la décomposition de l'eau, par voie thermique ou électrochimique.

Ensuite, le dihydrogène peut être comprimé dans des bouteilles à gaz (pression en général de 350 ou 700 bar), ou liquéfié ou combiné chimiquement sous forme de méthanol ou de méthane qui seront ensuite transformés pour libérer du dihydrogène. Les rendements énergétiques cumulés des synthèses du dihydrogène, de compression ou liquéfaction, sont généralement assez faibles. Jusqu’à maintenant, l'hydrogène n'était pas une source d'énergie primaire, c'était un simple vecteur d'énergie difficile à produire et à stocker, mais les choses sont en train d’évoluer favorablement.

Pour faire références aux études menées sur les piles à combustible au CEA et sans vouloir donner le mal de tête aux membres de l’équipage, je citerai simplement les travaux de deux chercheurs, Damien FERON (Directions de l’énergie nucléaire - CEA Centre de SACLAY) et Alain BERGEL (CNRS Toulouse), qui ont notamment travaillé sur les catalyseurs enzymatiques pour remplacer la mousse de platine dans les piles à combustible.

Schéma de principe d'une pile à combustible



Nous en sommes maintenant au stade concrêt de la réalisation des PaC

Applications maritimes

Les piles ont aussi des applications maritimes. Elles peuvent être utilisées dans de petits bateaux à moteur et même dans des sous marins. C'est une application relativement peu connue - et peu médiatisée - des piles, mais qui pourrait connaître un développement certain.

Fonctionnement

Parmi les différents types de piles, c'est surtout la PEMFC qui a jusqu'ici été retenue pour ce type d'applications. Mais différents projets utilisant une MCFC sont aussi à l'étude aux Etats Unis et en Europe. Les systèmes utilisés peuvent être constitués d'une pile seule ou d'un système hybride pile/batterie.
La gamme de puissance est en fait assez étendue puisque les plus petites embarcations fonctionnent avec des piles de 100 W et les plus grosses (sous marins) avec des piles de 250 kW.
Plusieurs types de carburants sont possibles, parmi lesquels le méthanol, le diesel, le gaz naturel, ou l'hydrogène. Vu l'intolérance des piles faces aux composés soufrés, il semble préférable d'utiliser du gaz naturel ou du méthanol. L'utilisation de gasoil ou de diesel impose de désulfuriser ces carburants pour ne pas empoisonner le reformeur ou le catalyseur de la pile. L'utilisation d'hydrogène (comprimé) pose les usuels problèmes de sécurité et nécessite notamment une bonne ventilation ainsi que le placement dans des endroits moins sensibles en cas de collision.
Le fonctionnement type de l'ensemble est assez classique: si on utilise une PEMFC, un reformeur est nécessaire pour transformer le carburant en un gaz riche en hydrogène, qui sera ensuite amené à la pile. Le type de reformage dépend de la nature du carburant: on préfère le vaporeformage pour des hydrocarbures légers (gaz naturel, naphta, méthanol) et l'oxydation partielle pour les hydrocarbures lourds. Ce mélange est humidifié avant d'arriver à l'anode. Pour ce qui est de l'air arrivant du côté de la cathode, il faut tenir compte du fait qu'on se trouve en milieu maritime et que l'air est déjà plus ou moins saturé d'eau. Par ailleurs, sur mer, il faut aussi tenir compte de la salinité du milieu. L'électricité produite par la pile passe dans le convertisseur AC/DC, tandis que l'eau est condensée pour être réutilisée (par exemple pour le reformage). L'excès d'hydrogène provenant de la pile peut être utilisé dans un brûleur fournissant de la chaleur pour le reformage. On peut aussi concevoir un système en dead end. Le refroidissement peut être réalisé grâce à l'eau du lac ou de mer, mais la chaleur produite par la pile peut être aussi valorisée si on l'utilise pour des besoins de chauffage.

photographie d'une pile (expérimentale) PEMFC développée par le CEA



principe des catalyseurs enzymatiques destinés à remplacer le Platine



Courbes obtenues lors des expériences faites avec différents catalyseurs enzymatiques





La publication de ces courbes est uniquement faite, non pour vous en mettre "plein la vue", mais pour montrer que des gens travaillent très sérieusement à développer les piles à combustibles de manière à les rendre plus efficaces et surtout moins chères à produire.

Avantages et inconvénients des piles à combustible

Il existe des avantages spécifiques qui rendent les piles intéressantes pour ce type d'applications:
• leur modularité,
• un bon (meilleur) rendement à charge partielle,
• pas de bruit,
• une durée de vie qui devrait atteindre les 40000 heures.

Face à cela, des problèmes restent à régler, en particulier:
• le temps de démarrage (si on veut utiliser une pile haute température),
• le stockage du carburant (s'il ne s'agit pas de carburant conventionnel..). Sur ce dernier point, il faut être particulièrement vigilant sur les aspects sécuritaires si on embarque de l'hydrogène ou du gaz naturel.
• la nécessité d'une redondance ou de la présence d'un système de secours pour pouvoir ramener le bateau au port en cas de problème.

Réalisations

Un certain nombre de bateaux et des sous marins avec pile embarquée ont déjà été réalisés, même si cela a été beaucoup moins médiatisé que pour les applications automobiles.