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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.

Publié le 19 octobre 2019
Pour bien appréhender ces enjeux, il faut comprendre 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 qui seront encore présents dans des dizaines de millénaires.
 
Le « cycle fermé » consiste à extraire l’uranium et le plutonium 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.
 
Résultat : un volume de déchets bien moindre, à l’impact radioactif divisé par dix car le plutonium en a été retiré. Le CEA a développé les technologies de retraitement, aujourd’hui utilisées dans l’usine de La Hague et continue de les optimiser en lien avec Orano. La Chine s’engage dans la même voie et s’intéresse aujourd’hui à la technologie française.

[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.



VidéoLe traitement et le recyclage des combustibles usés


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 [1] pour fabriquer du MOX, lequel va de nouveau alimenter des réacteurs. Aujourd’hui, cela ne fonctionne que pour un tour : une fois usé, le MOX contient en effet des isotopes [2] de plutonium difficilement utilisables dans le parc actuel des REP. Le mono-recyclage permet une économie des ressources minières en uranium (10 % avec le recyclage du plutonium sous forme de combustible « MOX », jusqu’à 25 % en recyclant également l’uranium), et une diminution de la radiotoxicité et du volume des déchets à stocker (de l’ordre d’un facteur 5).
Le mono recyclage sous forme de MOX dans les réacteurs à eau doit ainsi être considéré comme une première 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.

[1] Uranium résiduel après opérations d’enrichissement, pratiquement exempt d’235U, lequel a été extrait pour fabriquer du combustible nucléaire (« enrichi » en 235U).
[2] 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.


Le multirecyclage en REP : une avancée à moyen terme

Des études sont engagées pour évaluer la faisabilité d’un multi-recyclage à grande échelle dans des réacteurs à eau pressurisée. Le "multi recyclage" des combustibles nucléaires usés dans ces réacteurs permettrait de produire 30 % de l’électricité nucléaire en France et d’économiser la même proportion de matières premières (contre 25 % aujourd’hui).

Réacteurs à neutrons rapides : la vision long terme pour la fermeture du cycle

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 »). 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.
 
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.