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Dossier sur le cycle du combustible nucléaire

Le cycle du combustible nucléaire


​La France a fait le choix du « cycle fermé » qui permet de recycler les matières valorisables des combustibles usés (uranium et plutonium) et d’optimiser la gestion des déchets ultimes.

PubliĂ© le 30 octobre 2015

Le choix du cycle fermé

C’est dans une vision durable de l’énergie nucléaire que s’est bâtie la stratégie de la France, ce qui la conduit à opter pour le recyclage, affirme Bernard Boullis, directeur du programme « aval du cycle nucléaire » de la direction de l’énergie nucléaire du CEA.


VidéoLe traitement et le recyclage des combustibles usés


Il convient dès lors de chercher à apporter les meilleures réponses aux problématiques relatives à la disponibilité des ressources naturelles en uranium et à la gestion des déchets ultimes. Pour bien appréhender ces enjeux, il faut se remémorer ce qui entre et sort des réacteurs nucléaires actuels, les réacteurs à eau sous pression (REP). Le combustible neuf « normal » comprend environ 4 % d’uranium 235 (235U) fissile [1], le reste étant de l’uranium 238 (238U). En sortie de réacteur, il reste encore l’essentiel de l’238U, une partie de l’235U initial ainsi que des produits de fission hautement radioactifs et à la durée de vie de l’ordre du siècle. À cela s’ajoutent 1 % de plutonium et 0,1 % d’actinides mineurs. Or, ces éléments radioactifs seront encore présents dans des dizaines de millénaires. Que faire alors des matières réutilisables (uranium et plutonium) et des éléments inutiles et toxiques ?

Les pays ayant décidé d’abandonner le nucléaire à brève échéance ont logiquement opté pour un « cycle ouvert ». En clair : le combustible usé est considéré dans son intégralité comme un déchet et stocké définitivement en couche géologique profonde. C’est par exemple ce qu’a envisagé la Suède après sa décision de ne pas construire de nouveaux réacteurs. À l’opposé, le « cycle fermé » (recyclage des combustibles nucléaires) prend tout son sens pour les pays, comme la France ou le Japon et demain la Chine et l’Inde, souhaitant exploiter durablement l’énergie nucléaire. L’uranium et le plutonium sont alors extraits du combustible usé pour être recyclés dans de nouveaux assemblages de combustible. Seuls les produits de fission et les actinides mineurs, considérés comme des déchets ultimes, sont vitrifiés et stockés [2].

Résultat : un volume de déchets bien moindre, à l’impact radioactif divisé par dix car le plutonium en a été retiré. La France étant pionnière dans cette voie, c’est la direction de l'énergie nucléaire du CEA qui a développé les technologies de retraitement, aujourd’hui utilisées dans l’usine de La Hague. La Chine s’engage dans la même voie et s’intéresse aujourd’hui à la technologie française.


Le MOX : première étape du recyclage

Tel qu’il est actuellement pratiqué, le cycle fermé consiste à mélanger le plutonium récupéré avec de l’uranium appauvri [3] pour fabriquer du MOX, lequel va de nouveau alimenter des réacteurs. Malheureusement, cela ne « marche » bien que pour un tour : une fois usé, le MOX contient en effet des isotopes [4] de plutonium difficilement utilisables dans la filière actuelle des REP. De plus, le problème de l’épuisement à long terme des ressources reste entier car le rendement du MOX est comparable à celui du combustible classique : seulement 1 % de l’énergie potentielle contenue dans l’uranium naturel a été « consommé ». Or, si le recours à l’énergie nucléaire doit se développer durablement, les ressources naturelles « facilement » exploitables risquent de ne pas pouvoir répondre aux besoins à l’horizon de quelques décennies. La solution consiste à trouver un moyen d’utiliser l’238U (99,3 % de l’uranium naturel). Le recyclage sous forme de MOX dans les réacteurs à eau doit ainsi être considéré comme une étape visant, à la fois, à tirer le meilleur parti des ressources dans les réacteurs actuels, et à conditionner au mieux les déchets ultimes, tout en préparant l’avenir. « Un “tour” dans la filière MOX dure une quinzaine d’années, la suite appartient aux réacteurs à neutrons rapides (RNR) », souligne Bernard Boullis.

[1] Le noyau d’un atome fissile peut se scinder en libérant une grande quantité d’énergie sous un flux de neutrons. L’235U est le seul élément fissile naturel. A contrario, l’238U, de loin le plus abondant, n’est pas fissile mais fertile : il peut donner des éléments fissiles après capture de neutrons.

[2] Beaucoup de pays, n’ayant pas encore déterminé leur politique, entreposent le combustible usé de manière réversible. C’est le cas des Etats-Unis, par exemple.

[3] Uranium résiduel après opérations d’enrichissement, pratiquement exempt d’235U, lequel a été extrait pour fabriquer du combustible nucléaire (« enrichi » en 235U).

[4] Les noyaux des différents isotopes d’un élément comportent tous le même nombre de protons (caractéristique de l’élément) mais pas le même nombre de neutrons : 235U et 238U sont des isotopes de l’uranium, par exemple.

Réacteurs à neutrons rapides :
en route vers le nucléaire du futur

Ces réacteurs valorisent tous les isotopes de plutonium ce qui permet un recyclage récurrent du combustible. Le plutonium consommé peut également être directement régénéré dans ces réacteurs, suite à la capture de neutrons rapides par l’238U. Le taux de production est d’ailleurs réglable : soit, les réacteurs en produisent plus qu’ils n’en consomment (mode « surgénérateur ») ; soit, ils le « brûlent » (mode « sous-générateur ») ; soit, ils en produisent autant qu’ils en consomment (« mode isogénérateur »). C’est cette dernière option que développe le CEA. Dans ce cas de figure, après amorçage du réacteur grâce au stock de plutonium issu du retraitement du MOX, le parc de RNR produirait lui-même son combustible fissile jusqu’à épuisement de l’238U initial. Un RNR extrait en effet de 100 à 150 fois plus d’énergie de l’uranium naturel que les réacteurs actuels. Les réserves connues d’uranium deviendraient alors la plus grande ressource énergétique naturelle, très loin devant les hydrocarbures fossiles. « À très long terme, la France pourrait même se passer totalement des mines car le stock d’uranium appauvri déjà entreposé sur le territoire suffirait pour plusieurs millénaires de production électrique » assure Christophe Poinssot, chef du Département Radiochimie & Procédés à la direction de l'énergie nucléaire du CEA à Marcoule.

Autre avantage : les RNR créent environ quatre fois moins d’actinides mineurs que les réacteurs à neutrons thermiques, tout en produisant la même quantité d’électricité. Surtout, ils seraient capables de « brûler » ces éléments pour obtenir des produits de fission à la durée de vie beaucoup moins longue. Cette opération, dite de transmutation, fait l’objet de recherches poussées depuis une vingtaine d’années, tant en France, par le CEA, qu’au Japon et aux États-Unis. Les déchets ultimes sans actinides mineurs – constitués essentiellement de produits de fission – retrouveraient en trois siècles une radioactivité comparable à celle du minerai d’uranium, au lieu de plusieurs dizaines de millénaires : « cela nous ramène à une échelle compatible avec l’histoire et la mémoire humaine », estime Christophe Poinssot.

En attendant, le CEA, qui a développé toutes les technologies actuelles de retraitement avant de les transférer à la Cogema, devenue Areva, continue avec cette dernière d’améliorer les procédés mis en œuvre à La Hague. Plus en amont, les équipes de Saclay, Marcoule et Cadarache mettent au point le cycle du combustible du futur.