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Team:Lyon-INSA-ENS/Project/IndustrializationFr
From 2011.igem.org
Industrialisation
- Remue-méninges
- Pourquoi un "Cobalt Buster" biofiltre dans les centrales nucléaires ?
- Pourquoi pas dans le circuit primaire ?
- Où utiliser "Cobalt Buster" ?
- Autres perspectives pour le projet "Cobalt Buster" ?
- Pour aller plus loin: L'analyse économique du modèle électronucléaire
Remue-méninges
Après plusieurs mois de réflexion et de lecture de revues scientifiques le biofiltre "Cobalt Buster" est né, filtre dédié au circuit d'eau primaire des centrales nucléaires!
Pourquoi un biofiltre "Cobalt Buster" dans les centrales nucléaires ?
1- Il est connu qu'une émission de cobalt radioactive dans l'eau se produit dans le circuit primaire , à l'occasion de l'entretien des centrales nucléaires lorsque le cœur du réacteur est ouvert. Cette émission détériore les résines échangeuses d'ions permettant de filtrer l'eau et de réduire son niveau radioactif.
2- La préoccupation majeure de l'industrie nucléaire est de réduire le volume de déchets. Une modélisation faite précédemment nous a permis d'estimer que la souche "Cobalt Buster" est très efficace
(Appl Microbio Biotechnol 2009 81:571- 578):
4 kg de bactéries modifiées = 8000 kg de résines échangeuses d'ions
3- La réduction drastique des coûts du traitement des déchets et du conditionnement est également un enjeu majeur pour l'industrie nucléaire. Le choix d'un biofiltre permet de réduire le cout de production, ainsi que la protection des résines utilisées pour la filtration. Cette technologie permettrait ainsi de réduire considérablement les coûts de réhabilitation des eaux usées du circuit primaire.
4- Les phases d'entretien génèrent un manque à gagner de plusieurs millions d'euros, c'est pourquoi la réduction de la durée des phases de maintenance représentent un enjeu majeur.
5- Les stations de stockage des déchets moyennement radioactifs sont rapidement saturées. Nos bactéries pourraient contribuer à la diminution du volume de ces déchets faiblement radioactifs, stockés dans d'autres stations, généralement plus spacieuses. Le cobalt radioactif serait concentré dans des volumes plus petits grâce à l'augmentation de l'efficacité de la filtration.
Pourquoi pas dans le circuit primaire ? (Avis d'experts)
Pour inclure notre projet dans une approche réaliste et proche des préoccupations de l’ingénierie d'aujourd'hui et de demain, nous avons discuté notamment de la réalisation de nos BioFiltres avec M. Brette (professeur adjoint à l'INSA de Lyon, docteur en sciences économiques)et nos partenaires (Assystem, EDF ). Nous avons aussi pu nous faire une idée réaliste des difficultés techniques grâce aux visites effectuées dans des installations nucléaires (centrales de Tricastin, zone de Centraco) et aux discussions que nous avons eu avec un chimiste de la centrale nucléaire du Bugey.
A l'issue de ces discussions, nous savons que notre projet est plausible et qu'il pourrait intéresser les industriels. Cependant, certaines modifications doivent être faites concernant les utilisations de nos biofiltres.
1- Le cobalt libéré lors de l'ouverture du réacteur nucléaire peut représenter une radioactivité de 150 TeraBecquerel (TBq) (500 m3 d'eau contaminée avec un niveau de cobalt radioactif estimée à 300 gigaBq / m3).
Si le biofiltre spécifique au cobalt est utilisé dans les conditions décrites ci-dessus, le débit de doses pour seulement 1 des 150 TBq représentera 0,4 sievert par heure (Sv / h) alors que le débits autorisé est de 20 mSv par an.
Calcul du débit de dose Débit de Dose (DDD) = 0.54 * C * E * P / d²
avec
C = activité (en Curie)
E = énergie de radiation (en MeV)
P = pourcentage d'émission
d = distance à la source de radiation
Pour traiter 1TBq de Co60 à d = 1m (1TBq = 30 Curie)
EP = 2.5
Nous estimons le taux de dose suivant :
DDD = (0.54 * 30 * 2.5) / 1²
DDD = 40 rad / h
DDD = 0.4 Gy / h
DDD = 0.4 Sv / h
Ce taux d'exposition impliquerait la construction d'un mur de béton d'au moins un mètre d'épaisseur pour pouvoir utiliser plusieurs biofiltres "Cobalt Buster" en parallèle, ainsi que l'automatisation de l'ensemble des manipulations.
Ces changements impliquent des coûts trop importants en France, où une modification dans une usine d'alimentation doit aussi être faite dans les 58 autres centrales du parc nucléaire.
2- Nous devons aussi considérer qu'en cours d'activité, les conditions de pression et de température sont élevées (155 bars / 327 ° C). Lors des arrêts du réacteur,la diminution de la température est estimée à 28 ° C / h. La température d'utilisation de nos biofiltres étant comprise entre 20 ° C à 45 ° C, cela implique une attente de 4 à 5 heures après l'ouverture du réacteur nucléaire , avant de commencer la décontamination de cobalt.
Ce délai pourrait être rédhibitoire. En effet l'arrêt du réacteur coûte un million d'euros par jour et les temps de maintenance doivent être aussi courts que possible.
3- Dans le circuit primaire, le cobalt est sous forme d'ions et de particules. Les particules de cobalt peuvent représenter la majorité du cobalt présent. Ceci est un problème pour notre biofiltre, car la conception initiale de bioremédiation de la souche permet de capturer uniquement les ions cobalt.
A ce stade du projet nous n'avons pas pu évaluer la capacité du biofiltre pour capturer les particules de cobalt. Cependant, la souche finale "Cobalt Buster" produira des fibres amyloïdes (curli) qui pourraient lui permettre de fixer les particules de cobalt sur sa surface.
Où utiliser "Cobalt Buster" ? (Avis d'expert)
1- Selon les experts, le biofiltre "Cobalt Buster" peut être utilisé dans le traitement d'autres effluents, comme ceux des STEL(stations de traitements des effluents liquides).
Dans ces stations, le cobalt représente toujours un problème mais la radioactivité est plus faible et les conditions de température et de pression sont compatibles avec la survie de notre biofiltre (pression atmosphérique et température ambiante).
En outre, une collaboration soumise à un accord de confidentialité est discutée avec un de nos partenaire, afin de mettre en place des essais pilotes.
2- Le filtre peut également être utilisé dans un système de type barbotage, pour traiter l'air contaminé pendant le déclassement des centrales électriques.
Autres perspectives pour le projet "Cobalt Buster" ?
Comme le montre le nombre d'équipes intéressées par l'adhérence de souches (TU-Delft 2011), l'absorption de métaux (Peking 2010) ou la radioactivité(Osaka 2011; NYC_Software 2011), de nouvelles perspectives peuvent émerger suite à des collaborations et des confrontations d'idées.
Nous avons entamé une collaboration avec l'équipe de TU-Delft dans l'objectif de comparer l'efficacité de l'adhérence suivant deux approches. L'objectif est de savoir si la surproduction de curli est la meilleure stratégie pour optimiser l'adhésion d'E. coli. D'autres collaborations avec les équipes d'Osaka ou de NYC seraient à envisager pour optimiser l'aspect de la bioremédiation du cobalt radioactif de nos souches "Cobalt Buster".
Il est possible d'envisager une utilisation de notre biofiltre au delà du contexte nucléaire. Le système impliquerait l'association de plusieurs souches utilisées en bioremédiation, chacune d'elle état optimisée pour la capture d'un métal ou d'autres espèces polluantes comme les hydrocarbures ou les antibiotiques ... Ces souches seraient associées au sein d'un biofilm complexe afin de créer un biofiltre aux applications très larges, comme cela est montré sur la vidéo suivante!
schéma prospects par iGEM_Lyon_2011
Pour aller plus loin: L'analyse économique du modèle électronucléaire
Le modèle électronucléaire
En raison des technologies employées, des moyens et des risques potentiels, les modèles nucléaire et électronucléaire sont des domaines stratégiques. On distingue quatre secteurs:
En amont (Upstream), l'objectif est d'approvisionner les centrales en combustible nucléaire. On y retrouve plusieurs domaines: les mines (exploration minière et extraction de l'uranium naturel), la chimie (purification et conversion de l'uranium en hexafluorure d'uranium), l'enrichissement (augmentation du contenu en isotope U235 de 0,7% à 3-5%).
La construction regroupe la conception, les études et l'ingénierie pour chaque projet de centrale, de fabrication des composants, d'installation et de démarrage de centrales.
Les opérateurs d'exploitation vérifient quotidiennement le bon fonctionnement des centrales , et calibrent la puissance du réacteur selon le besoin du réseau électrique. Ils gèrent éqalement les activités nécessaires à l'entretien, la modernisation et l'extension de la durée de vie des centrales nucléaires. Les pannes sont des points importants de cette activité. Lors de l'arrêt des réacteurs, les opérateurs coordonnent le changement des barres d'uranium et prévoient également des phases de maintenance de grande envergure.
En aval, la structure est divisée en deux activités différentes: le traitement des combustibles usés (recyclage en MOX pour une réutilisation), et la planification de la fin de vie des installations nucléaires (le démantèlement et le réaménagement de territoires).
En raison de l'importance des moyens financiers et technologiques nécessaires au développement d'une entreprise dans le domaine, la menace de nouveaux concurrents électronucléaire (nouvelles entreprises entrant sur le marché) est faible. Par conséquent, seuls quelques grands groupes se partagent les quatre lignes d'affaires(AREVA, EDF, GE Energy ou Mitsubishi). Cependant la concurrence est très forte puisque que les contrats sont rares et conséquents.
Dans ce domaine, les pressions extérieures sont particulièrement fortes. L'influence politique est assez importante: en France, le nucléaire tient une place primordiale, mais la politique peut à tout moment décider de favoriser d'autres moyens de production d'électricité, comme en Allemagne (solaire, éolienne, etc.). Par conséquent, le rôle des pouvoirs publiques dans différents pays ainsi que celui des organisations internationales (par exemple l'AIEA, l'ANDRA) est crucial. Ce sont eux qui décident et fixent les règles et directives. L'application des accords contre le réchauffement climatique par les pouvoirs publiques (Kyoto, Copenhague) peut également avoir une incidence directe et positive sur le domaine de l'électronucléaire. En effet, son impact CO2 est nul dans la production d'électricité.
Cependant, il existe actuellement deux problèmes primordiaux : le devenir des déchets nucléaires (pour l'instant, le stockage des déchets de faible, moyenne et haute activité), et le risque d'un accident dont les conséquences seraient désastreuses pour l'environnement et la population. Les lois votées limitent ce domaine afin de permettre un contrôle permanent, éviter les accidents et protéger la population. En effet, en ce qui concerne l'avis des populations, l'appréhension face à cette force et aux différents types d'accidents qui ont eu lieu est toujours présente (Sécurité). Néanmoins, en raison de l'augmentation du prix des énergies fossiles (pétrole, gaz) et grâce aux recherches sur les nouvelles générations de réacteurs, plus efficaces, le domaine de l'électronucléaire conserve sa compétitivité sur le marché de l'énergie.
