Dossier : Comprendre l’énergie nucléaire

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Décryptages

Le cycle du combustible nucléaire

Métal gris, dur et très dense, l'uranium naturel est largement répandu dans l'écorce terrestre, associé à d'autres corps chimiques, aussi bien dans les terrains granitiques que sédimentaires. Mais avant de pouvoir être utilisé dans un réacteur nucléaire, il subit de nombreux traitements. C’est l’amont du cycle du combustible. Après utilisation en réacteur, on parle d’aval du cycle : c’est le traitement des « cendres »1.

Une centrale nucléaire récupère la chaleur issue de la "fission" pour produire de la vapeur. Celle-ci permet ensuite d'activer la turbine reliée à un alternateur lequel fabrique de l’électricité. AREVA - TAILLAT JEAN-MARIE

Les gisementsUn gisement est une accumulation de matière première (pétrole, gaz, charbon, uranium, minerai métallique, substance utile…)... exploitables, que l’on repère facilement grâce aux rayonnements qu’ils émettent, contiennent de 100 grammes à 10 kilogrammes d'uraniumMétal gris, très dense et radioactif, l'uranium est un élément relativement répandu dans l'écorce terrestre et l'eau des océans... par tonne de minerai. L’extraction est réalisée soit dans des mines souterraines ou à ciel ouvert, soit in situ, avec injection dans le sol d’une solution acide ou basique qui dissout l’uranium et que l’on récupère ensuite par pompageLe pompage est une technique de récupération assistée du pétrole et du gaz....

Dans les mines classiques, les blocs de minerai d’uranium sont concassés, broyés et traités chimiquement. Après différentes phases, on obtient un concentré appelé yellow cakeLe Yellow cake (gâteau jaune) représente une étape intermédiaire dans le processus de fabrication du combustible nucléaire... (gâteau jaune, du fait de sa couleur et de sa texture pâteuse). Celui-ci contient environ 75 % d'uranium.

En 2009, une étude conjointe de l'Organisation de coopération et de développement économiques (OCDE) pour l’Agence pour l'énergie nucléaire (AEN) et l'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) estimait que les ressources classiques connues, récupérables à un coût économique acceptable (moins de 130 dollars par kg) 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. Le potentiel apparait donc satisfaisant, d’autant que la présence d’uranium dans des gisements de phosphates, voire dans l’eau de mer, ainsi que les perspectives de réacteurs de 4e génération utilisant moins de combustibleUn combustible désigne tout composant ou matière solide, liquide ou gazeux susceptible de se combiner à un oxydant..., repousseront beaucoup ces limites.

L’enrichissement

L'uranium naturel contient 99,3 % d'uranium 238 (U238) et 0,7 % d'uranium 235L'uranium 235 (235U) est l'un des trois isotopes naturels de l'uranium... (U235). Or la plupart des réacteurs nucléaires 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, c’est-à-dire l’« enrichir ».

Pour cela, il faut passer par une phase gazeuse et convertir l’uranium en hexafluorure d'uranium (UF6). L’enrichissement est assuré par deux procédés industriels principaux :

  • la diffusion gazeuse consiste à faire passer le gaz à travers des membranes poreuses. Les molécules d’U235, plus légères, franchissent plus facilement la barrière que les molécules d'U238. En répétant l'opération un grand nombre de fois, on obtient de l'hexafluorure d'uranium avec la concentration souhaitée en U235. Cette méthode, très consommatrice en énergie, est aujourd’hui en voie de disparition.
  • la centrifugation, méthode de plus en plus répandue, utilise des centrifugeuses tournant à très grande vitesse. Les molécules les plus lourdes (U238) sont projetées à la périphérie et le gaz enrichi en U235, plus léger, est récupéré en partie centrale avant d’être réinjecté. Il faut une « cascade » de plusieurs centaines de centrifugeuses pour réaliser complètement l’opération.

La fabrication du combustible

L'hexafluorure d'uranium enrichi (UF6) est transformé en oxyde d'uranium, qui se présente sous la forme d'une poudre noire. Celle-ci est ensuite comprimée en 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 !

 

Une pastille de 7 grammes de combustible nucléaire libère autant d'énergie qu'une tonne de charbon.

Les pastilles sont alors introduites dans des tubes métalliques (ou gaines) d’environ 4 mètres de long. Une fois bouché à ses deux extrémités, on obtient un « crayon », qui contient environ 300 pastilles. Les crayonsDans les centrales nucléaires, nom donné aux longs tubes en métal dans lesquels on place les pastilles de combustible (uranium enrichi ou mox). sont regroupés dans une structure métallique pour constituer un assemblage de combustibleLes assemblages de combustible sont placés au cœur d'un réacteur nucléaire, là où a lieu la fission qui libère de l'énergie.... Chaque assemblage comporte environ 250 crayons. Le combustible est enfin prêt à rejoindre le cœur d'un réacteur nucléaireSitué au cœur de la centrale nucléaire, le réacteur est une sorte de chaudière géante....

 

L’aval du cycle

Une fois consommé dans le réacteur, pendant au moins trois ans, le combustible usé contient diverses formes d’uranium et du plutonium (9 kg par tonne). Par diverses techniques de retraitement, 96 % de ce combustible usé peut être recyclé. On obtient de l’uranium de retraitement que l’on peut enrichir à nouveau. On peut aussi mélanger le plutonium avec de l’uranium appauvri, pour former un combustible appelé en France MOXLe combustible nucléaire MOX est produit à partir de déchets de l'industrie nucléaire...2.

80 % : la réduction du volume des déchets grâce au retraitement du combustible usé

 

Ces techniques permettent de réduire d’autant le stockage. Les 4 % de déchets restants sont des déchets de haute et moyenne activité à vie longue, dits ultimes, qui ne peuvent pas encore être valorisés aujourd’hui (Voir le décryptage : « Le traitement des déchets radioactifs »).

Trois pays maîtrisent cette technologie à l’échelle industrielle : la France, le Royaume-Uni et le Japon, qui a construit une usine aujourd’hui à l’arrêt. Les autres pays disposant de réacteurs nucléaires soit recyclent ou ont recyclé leurs combustibles usés après retraitement en France ou au Royaume-Uni, soit prévoient de les stocker comme les autres déchets radioactifs.

 

Sources 

(1) Société française d’énergie nucléaire

(2) Areva