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Dossier sur le cycle du combustible nucléaire

L'amont du cycle : du minerai brut à l'uranium enrichi


​De la mine jusqu’au réacteur, toute une chaîne industrielle assure la transformation de l’uranium contenu dans le minerai pour obtenir l’oxyde d’uranium (UOX ) qui constitue les pastilles de combustibles. Extraction sélective, purification, enrichissement… autant d’enjeux scientifiques et techniques pour les équipes du CEA.

Publié le 30 octobre 2015

Les enjeux autour de l'amont
du cycle du combustible nucléaire

Pour fonctionner, les réacteurs nucléaires exigent de l’uranium très pur, ce qui représente un grand enjeu de chimie car l’uranium doit être épuré de tous les autres éléments présents dans le minerai. Or, comme le rappelle Romain Grastien, chef du programme « amont du cycle » à la Direction de l'énergie nucléaire du CEA : « L’uranium représente au mieux quelques pourcents en masse de ce minerai. De plus, l’uranium naturel ne contient que 0,7 % d’235U fissile (le reste étant de l’238U), alors que le combustible des réacteurs à eau sous pression (REP) doit comprendre 4 % d’235U ».
Ainsi, dès les années 1950-1960, le CEA a conçu et mis en place toute la chaîne industrielle allant du minerai brut [1] jusqu’à l’uranium enrichi.

Aujourd’hui, près de 55 000 tonnes d’uranium sont extraites annuellement pour une consommation de 65 000 tonnes [2]. « À terme, avec l’épuisement des mines existantes, il faudra apprendre à exploiter des gisements plus pauvres et à un coût raisonnable dans les meilleures conditions environnementales », prévient Romain Grastien. La recherche et développement sur tout l’amont du cycle du combustible s’est adaptée…


Extraire l’uranium et le purifier

Concentré d'uranium sous forme de yellow cake
Concentré d’uranium sous forme de yellow cake obtenu après dissolution du minerai d’uranium dans de l’acide. © Philippe Lesage/Areva

 
[1] Le CEA était chargé de la prospection minière, avant de transférer cet aspect à la Cogema en 1976.

[2] Données de 2014. Source WNA.

[3] Méthode de plus en plus utilisée, en particulier au Kazakhstan, également appelée in situ recovering. Elle représente 50 % de la production d'uranium.

[4] L’extraction se fait par passage de la solution sortant du puits sur une résine échangeuse d’ions.

Tout commence à la mine où l’uranium est extrait. Le minerai est concassé, broyé puis imprégné d’une solution acide oxydante pour dissoudre l’uranium à hauteur de quelques grammes par litre. L’uranium est ensuite sélectivement extrait de la solution par une molécule spécifique, utilisée depuis les années 1970. Viennent ensuite plusieurs étapes de purification avant d’obtenir un concentré minier d’uranium appelé yellow cake. « Nous voulons supprimer les dernières étapes, consommatrices en eau et en réactifs, en développant une nouvelle molécule extractante afin d’atteindre, dès la première opération, une solution suffisamment purifiée », explique Romain Grastien. À plus long terme, les chimistes souhaitent davantage diminuer la consommation d’eau en repensant la phase d’extraction elle-même.

Un autre mode d’exploitation est également utilisé : l’in situ leaching [3]. Lorsque la géologie s’y prête, on peut en effet se passer d’excavation : on récupère l’uranium en injectant directement une solution acide oxydante dans le gisement puis en pompant la solution. Là aussi, les chercheurs essaient de supprimer des étapes de purification en améliorant la méthode d’extraction [4].


Du yellow cake à l’uranium enrichi

À l’usine Comurhex de Malvési, le yellow cake subit une purification complémentaire avant d’être converti en tetrafluorure d’uranium, lequel est ensuite transformé, à l’usine Comurhex de Pierrelatte, en hexafluorure d’uranium par réaction avec du fluor. Ce dernier étant un produit très coûteux, les experts du CEA travaillent à son recyclage. Arrive ensuite l’enrichissement. Lors de cette opération, l'uranium gazeux est introduit dans des centrifugeuses par lesquelles il est séparé en deux flux : l'un enrichi en 235U (entre 3 et 5 %) et l'autre appauvri en 235U (0,1 à 0,3 %). La première usine d’enrichissement, Georges-Besse, utilisait la diffusion gazeuse, seule technologie mature à l’époque de son démarrage (1978). Aujourd’hui, Georges-Besse II, utilise la technologie d’ultracentrifugation gazeuse qui consomme 40 à 50 fois moins d’énergie. Une fois enrichi, l’hexafluorure est de nouveau converti en oxyde d’uranium solide utilisé pour la fabrication des combustibles. Les chimistes essaient aujourd’hui de récupérer le précieux fluor lors de cette opération afin de le réutiliser au cours de l’étape précédant l’enrichissement. Tout en gardant un œil sur l’émergence de nouveaux procédés, à base de lasers par exemple, qui pourraient supplanter l’ultracentrifugation.