Vous êtes ici : Accueil > Domaines de recherche > Le cycle du combustible nucléaire

Dossier multimédia | Energies | Energie nucléaire | Cycle du combustible

Dossier sur le cycle du combustible nucléaire

L’aval du cycle : la deuxième vie du combustible


​Si les différentes étapes de l’aval du cycle sont aujourd’hui bien maîtrisées pour valoriser les matières réutilisables du combustible usé et conditionner les déchets ultimes, les chercheurs du CEA poursuivent des recherches en soutien aux industriels pour optimiser l’ensemble de ces procédés.

Publié le 19 octobre 2017

Traitement et recyclage
des combustibles usés aujourd'hui

Depuis 1987, EDF alimente une vingtaine de ses réacteurs avec du MOX, à raison d’un tiers de MOX et deux tiers d’UOX dans les assemblages de combustible. Le plutonium fournit ainsi en France environ 10 % de l’électricité nucléaire. « Ayant fait le choix du cycle fermé, la France ne stocke plus de plutonium dans les déchets ultimes : tout est réutilisé en MOX » précise Christophe Poinssot, chef du Département de recherche sur les procédés pour la mine et le recyclage du combustible du CEA à Marcoule. Ainsi, chaque année, le parc nucléaire ne génère plus que 40 tonnes de déchets ultimes, contre 1 200 tonnes avec un cycle ouvert ; les 200 tonnes de combustible usé (MOX + URE) sont entreposés avant une utilisation ultérieure.

En France, les étapes de l’aval du cycle du combustible nucléaire – extraction de l’uranium et du plutonium du combustible UOX usé, fabrication du MOX avec le plutonium récupéré, vitrification des déchets ultimes – sont pleinement opérationnelles dans les usines de La Hague et MELOX, à partir de technologies créées pour la plupart par le CEA [1]. Les procédés sont si efficaces que plus de 99,9 % du plutonium est aujourd’hui récupéré. Quant aux contaminants, il n’en reste qu’un millionième voire un milliardième de la charge de départ. Est-ce à dire que tout est définitivement au point ?


Optimiser les procédés
de vitrification des déchets

Prototype évolutif de vitrification
Vue d’ensemble du prototype évolutif de vitrification équipé du creuset froid nucléarisé à Marcoule. © P. Dumas/CEA

 
[1] Aujourd’hui, seule Areva produit du MOX dans le monde.

[2] Dans le cadre du Grand emprunt.
La toute fin de cycle :
la question du stockage

En 2006, l’Andra est chargée de concevoir et d’implanter un Centre industriel de stockage géologique (Cigéo). Les déchets y arriveront sous forme de « colis ». Le CEA, qui a largement contribué à leur conception, mène, en lien avec les industriels qui les produisent, des études pour fournir à l’Andra toutes les données sur leur comportement à long terme, en particulier leur évolution en conditions de stockage au cours des millénaires à venir. Il réalise notamment des expériences en accéléré sur des verres inactifs ou radioactifs (à Marcoule dans l’installation Atalante) pour identifier les mécanismes physico-chimiques d’altération. Ces expériences n’étant pas suffisantes pour extrapoler le comportement à long terme du verre en situation de stockage géologique, d’autres études sont conduites sur des analogues naturels (roches volcaniques) ou archéologiques (verres antiques trouvés en Méditerranée). Les résultats obtenus permettent d’établir et de qualifier des modèles mathématiques de l’évolution des colis. « Ils montrent que leur durée de vie dans les conditions d’un stockage souterrain, telles qu’on les envisage aujourd’hui pour le projet Cigéo, dépasserait plusieurs centaines de milliers d’années », conclut Luc Paradis, chef du département de recherche sur les technologies pour l'enrichissement, les déchets et le démantèlement au CEA.


 
Corrosion de matériaux
Produits de corrosion formés à la surface d’un échantillon d’acier corrodé in situ à 85°C pendant 19 mois dans la formation argileuse du laboratoire Andra de Meuse – Haute/Marne. © CEA

« Les performances sont déjà remarquables mais le CEA poursuit sa R&D en lien étroit avec Areva. Il s’agit d’adapter les procédés à l’évolution des combustibles. Nous voulons aussi les optimiser afin d’obtenir les mêmes résultats à moindre coût et en cherchant encore à optimiser la gestion des déchets ultimes », répond Bernard Boullis, directeur du programme « aval du cycle nucléaire » de la direction de l’énergie nucléaire du CEA. L’essentiel de ce travail se déroule à Marcoule. Par exemple, l’extraction et la purification du plutonium et de l’uranium, aussi performantes soient-elles, se déroulent aujourd’hui en trois étapes et autant d’ateliers. « Nous travaillons sur une nouvelle approche qui permettrait de tout réaliser en une étape, dans un seul atelier, avec des quantités plus faibles de produits chimiques afin de réduire les rejets de l’usine », explique Christophe Poinssot.

Une fois le plutonium et l’uranium récupérés, les déchets ultimes – produits de fission et actinides mineurs – sont calcinés, vitrifiés et coulés dans des « colis » destinés au stockage géologique profond (voir l’encadré "La toute fin du cycle : la question du stockage"). Si les colis eux-mêmes sont parfaitement définis, il reste des pistes d’optimisation des procédés. Ainsi, l’élaboration du verre fondu contenant les déchets s’effectue classiquement à plus de 1 000 °C dans des pots de fusion métalliques qui s’endommagent sous l’effet de la corrosion et de la chaleur. Il faut donc régulièrement les remplacer, ce qui constitue autant de déchets technologiques à gérer.

Marcoule a mis au point une nouvelle technique, implantée en 2010 sur une des six lignes de vitrification de l’usine de La Hague : le « creuset froid ». Dans ce procédé, la paroi métallique du « pot » est refroidie par circulation d’eau froide. Le creuset est alors rempli d’une charge de verre qui est fondue par induction avant l’introduction des déchets. Une fine couche de verre solide se forme au contact de la paroi froide, séparant la paroi du four du verre fondu et des déchets radioactifs. Ainsi protégé de la chaleur et des radiations, le creuset dure beaucoup plus longtemps et permet l’élaboration de matériaux plus corrosifs.


Vers un nouveau procédé pour traiter
les déchets issus de la production du MOX

Autre projet de développement mené par le CEA [2], en lien avec l’Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (Andra) et Areva : le traitement et le conditionnement des déchets technologiques solides, mélange de métaux et de matières organiques (vinyles, polyéthylène, gants en polymères) issus du fonctionnement de l’usine MELOX qui produit le MOX. Beaucoup moins radioactifs que les déchets du combustible, ils doivent cependant être stockés dans des colis idoines. C’est là qu’interviendrait un procédé innovant, appelé PIVIC, qui vise à les traiter et les conditionner en une seule étape. Son principe : les déchets sont introduits dans un four et sont incinérés par une torche à plasma sur un bain de verre fondu. Les cendres résultantes sont incorporées au verre et le métal fondu se retrouve au fond du creuset qui constitue le conteneur primaire du déchet. « Ce procédé, aujourd’hui à l’étude, rassemble toutes nos compétences : incinération par torches à plasma,vitrification, fusion par induction, traitement des gaz, etc. », souligne Luc Paradis, chef du département de recherche sur les technologies pour l'enrichissement, les déchets et le démantèlement au CEA. Le développement de PIVIC, qui devrait entrer en service à la Hague au cours de la prochaine décennie, mobilise aujourd’hui une quinzaine de personnes à Marcoule.

De manière générale, les équipes du CEA apportent en permanence leur soutien à Areva pour faire évoluer l’usine de La Hague. Ces experts interviennent régulièrement sur place utilisant notamment les codes de simulation numérique de l’usine, développés à la Direction de l'énergie nucléaire, afin d’étudier des questions comme l’arrêt-redémarrage ou le vieillissement, par exemple. « Cette usine est encore là pour longtemps mais nous travaillons déjà sur des procédés innovants destinés aux usines futures », indique d’ailleurs Christophe Poinssot.


VidéoLe recyclage des combustibles usés