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 défi pour la chimie car l’uranium doit être purifié de tous les autres éléments présents dans le minerai. Or, 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 contenir de l’ordre de 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.
La production mondiale d’uranium s’est élevée à 54 000 tonnes en 2019 [2]. À terme, il faudra apprendre à exploiter des gisements plus pauvres, à un coût raisonnable et dans les meilleures conditions environnementales possibles.
[1] Le CEA était chargé de la prospection minière, avant de transférer cet aspect à la Cogema en 1976.
[2] Données sur l’énergie nucléaire 2020, OCDE 2021, NEA No. 7556.
Extraire l’uranium et le purifier
Tout commence dans les mines d’où l’uranium est extrait. Le minerai est ensuite concassé, broyé puis imprégné d’une solution acide oxydante pour dissoudre l’uranium à hauteur de quelques grammes par litre. Puis l’uranium est sélectivement extrait de la solution. Viennent ensuite plusieurs étapes de purification avant d’obtenir un concentré minier d’uranium appelé yellow cake.
Concentré d’uranium sous forme de yellow cake obtenu après dissolution du minerai d’uranium dans de l’acide. © Philippe Lesage/Areva
Un autre mode d’exploitation des mines, baptisé In Situ Leaching ou In Situ Recovery, est de plus en plus utilisé, en particulier au Kazakhstan. 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 chargée en uranium. L’extraction se fait par passage de la solution sortant du puits sur une résine échangeuse d’ions ou par échange liquide/liquide. L’uranium est ensuite désextrait, précipité et séché pour produire le « yellow cake ». Ce mode d’exploitation représente la moitié de la production d'uranium.
Les principaux objectifs des recherches menées au CEA dans ce domaine sont :
d’améliorer les mesures nucléaires pour la prospection et l’exploitation des mines d’uranium,
de développer des procédés d’extraction sélectifs et durables de l’uranium,
de modéliser les procédés de l’amont du cycle.
Du yellow cake à l’uranium enrichi
À l’usine d’Orano de Malvési, le yellow cake subit une purification complémentaire avant d’être converti en tetrafluorure d’uranium, lequel est ensuite transformé, à l’usine Orano de Pierrelatte, en hexafluorure d’uranium (UF6) afin de procéder à l’étape d’enrichissement de l’uranium permettant d’augmenter la proportion d’235U. Lors de cette opération, l'uranium gazeux est introduit dans des centrifugeuses au sein desquelles 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 %). Une fois enrichi, l’hexafluorure est de nouveau converti en oxyde d’uranium solide afin d’être utilisé pour la fabrication des combustibles nucléaires.
Le CEA intervient auprès d’Orano, en support aux usines de Malvési et de Pierrelatte, en particulier afin de comprendre le comportement du phosphore, une impureté présente lors des diverses opérations de purification et de conversion et ainsi de mieux maîtriser sa teneur dans l’UF6 produit.