Le nucléaire
De l'uranium au combustible
Le 13/09/2010La plupart des centrales nucléaires n'utilisent pas directement l'uranium naturel pour produire de l'électricité. De l'extraction du minerai à la fabrication du combustible,
en passant par la conversion et l'enrichissement de l'uranium, voici toutes les étapes
du cycle du combustible nucléaire.
L'extraction et le traitement
L'extraction du minerai peut s'effectuer selon trois méthodes, en fonction de la profondeur et des caractéristiques du gisement :
• mine souterraine :
on accède au minerai par un système de puits et de galeries ;
• mine à ciel ouvert :
on décape la couche de roche qui recouvre le minerai ;
• exploitation in situ :
on injecte dans le sol une solution acide ou basique qui dissout le minerai. La solution est ensuite récupérée par pompage.
Dans le cas des mines classiques, les blocs de minerai sont concassés, finement broyés et traités chimiquement. Après séparation, lavage, filtrage et séchage, on obtient un concentré appelé "yellow cake" ("gâteau jaune", du fait de sa couleur et de sa texture pâteuse) contenant environ 75 % d'uranium, soit 750 kilos par tonne1.
10 kilos d'uranium par tonne de minerai extrait. En 2009, une étude conjointe de l'Agence de l'OCDE pour l'énergie nucléaire (AEN) et l'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) estimait que les ressources classiques connues, récupérables à un coût inférieur à 130 US$/kilo, s'élevaient à environ 6,3 millions de tonnes. Or, d'ici 2025, les besoins en uranium devraient se hisser à une quantité annuelle comprise entre 80 000 et 100 000 tonnes. Les ressources connues aujourd'hui
sont donc suffisantes3.
L'enrichissement : d'un uranium à l'autre
L'uranium naturel contient 99,3 % d'uranium 238 (U238) et 0,7 % d'uranium 235 (U235). La plupart des réacteurs nucléaires (90 % des réacteurs en fonctionnement dans le monde) utilisent comme combustible un uranium contenant entre 3 et 5 % d'uranium 235. Il convient donc d'augmenter la concentration en U235 de l'uranium naturel. Pour cela, on commence par le transformer en gaz, l'hexafluorure d'uranium (UF6) : c'est la conversion. Puis, on augmente la proportion d'U235 : c'est l'enrichissement. Pour réaliser cette opération, il existe principalement deux procédés industriels : la diffusion gazeuse et la centrifugation. Ils exploitent tous deux la petite différence de masse existant entre les molécules d'hexafluorure d'uranium 235 et celles d'hexafluorure d'uranium 238 (l'U235 est plus léger que l'U238).
La diffusion gazeuse consiste à faire passer le gaz à travers des membranes poreuses.
Les molécules les plus légères (U235) franchissent plus rapidement la barrière que les molécules d'U238. En répétant l'opération plus de 1 000 fois, on obtient de l'hexafluorure d'uranium avec la bonne concentration en U235.
La centrifugation utilise des centrifugeuses tournant à très grande vitesse dans lesquelles on introduit de l'UF6. Les molécules les plus lourdes (U238) sont projetées à la périphérie, alors que les plus légères (U235) migrent vers le centre. Le gaz enrichi en U235, plus léger, monte et est récupéré à l'extrémité haute de la centrifugeuse4.
La fabrication du combustible
Après enrichissement, l'hexafluorure d'uranium (UF6) est transformé en oxyde d'uranium, qui se présente sous la forme d'une poudre noire. Celle-ci est ensuite comprimée en petites pastilles qui cuisent dans un four à 1 700 °C pour acquérir la densité requise. Une pastille pèse 7 grammes et libère autant d'énergie qu'une tonne de charbon !
Les pastilles sont ensuite introduites dans de longs tubes métalliques (ou gaines) de 4 mètres de long. Une fois bouchée à ses deux extrémités, on obtient un "crayon" qui contient environ
300 pastilles. Les crayons sont regroupés dans une structure métallique de section carrée pour constituer un assemblage de combustible. Chaque assemblage comporte environ 250 crayons5. Le combustible est enfin prêt à rejoindre le cœur d'un réacteur !
La gestion des déchets radioactifs et le recyclage
L'essentiel des déchets radioactifs provient de la production d'électricité dans des centrales nucléaires (85 % en France6). On distingue plusieurs catégories de déchets, en fonction de l'intensité des rayonnements qu'ils émettent et de leur durée de vie (période pendant laquelle ils restent radioactifs).
Les déchets de faible activité à vie courte
Compte tenu de la vitesse de décroissance radioactive (ce qu'on appelle la période de demi-vie), ces déchets auront d'ici 300 ans un niveau de radioactivité égal à celui de la radioactivité naturelle. Ce sont pour l'essentiel des déchets d'exploitation, liés à la maintenance des centrales nucléaires. Ce sont les outils ou chiffons que l'on a fait pénétrer en zone nucléaire pour assurer des opérations d'entretien, des pièces (vannes, filtres...) que l'on a remplacées.
En France, le volume de ces déchets a été réduit de façon considérable (d'un facteur trois
en dix ans). Il représente aujourd'hui environ 100 mètres cubes par réacteur et par an.
Ces déchets sont conditionnés dans des emballages appelés colis, en acier ou en béton.
Les déchets y sont enrobés dans une matrice, un matériau dont le rôle est de les rendre inertes et de confiner la radioactivité. Le colis sert à isoler les déchets de l'environnement.
Les déchets de moyenne et haute activité à vie longue
Ce sont les déchets liés au combustible nucléaire usé. Ils représentent 10 % des déchets nucléaires. Le combustible irradié constitue un déchet hautement radioactif, et qui le restera pendant une période très longue. Il peut être retraité, de façon à recycler la matière énergétique. Pour ce faire, on commence par séparer différents constituants :
• la gaine métallique du combustible,
• la matière énergétique (uranium et plutonium), soit 95 % du combustible usé,
• les déchets générés par la fission : produits de fission et actinides mineurs (éléments formés par l'absorption de neutrons par les noyaux d'uranium).
Le retraitement permet, en récupérant la matière encore énergétique, de diviser par trois le volume des déchets à stocker. Ces déchets ultimes de haute activité à vie longue sont vitrifiés, c'est-à-dire coulés dans du verre, matériau qui résiste à la chaleur et aux rayonnements qu'ils dégagent. Ce verre est conditionné dans des fûts métalliques en acier inoxydable, lesquels sont entreposés dans des puits en béton, ventilés pour assurer le refroidissement.
Cette solution provisoire d'entreposage peut durer encore quelques dizaines d'années, en attendant une solution définitive. Les volumes, du fait du retraitement, sont assez peu importants. En Finlande et en Suède, la solution du stockage géologique profond est retenue : un site est en construction en Finlande (ouverture prévue en 2020) et à l'étude en Suède. Aux États-Unis, il existe depuis 1996 un centre de stockage pour les déchets d'origine militaire. Le combustible civil usé est pour l'instant conservé dans les centrales nucléaires.
[1]Source AREVA
[2]Source American Uranium
[3]Source NEA
[4]Source Société Française d'Energie Nucléaire
[5]Source Société Française d'Energie Nucléaire ; AREVA
[6]Source CEA
