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Avant le réacteur : la préparation du combustible (1/4)
Le combustible nucléaire, après son utilisation dans le réacteur, peut être retraité afin d’en extraire les matières énergétiques recyclables. C’est pourquoi on parle de cycle du combustible nucléaire. Ce cycle regroupe l’ensemble des opérations industrielles suivantes :
• extraction de l’uranium des mines ;
• fabrication du combustible ;
• utilisation dans le réacteur ;
• retraitement du combustible déchargé du réacteur ;
• traitement et stockage des déchets.
Le combustible nucléaire fournit par unité ou masse, par kilo par exemple, beaucoup plus d’énergie qu’un combustible fossile (charbon ou pétrole). Utilisé dans un réacteur à eau sous pression, un kilo d’uranium produit 10 000 fois plus d’énergie qu’un kilo de charbon ou de pétrole dans une centrale thermique. De plus, le combustible restera longtemps (plusieurs années) dans le réacteur, contrairement aux combustibles classiques qui sont brûlés rapidement. Le combustible nucléaire est aussi différent des autres parce que l’uranium doit subir de nombreuses opérations après son extraction et avant son utilisation dans le réacteur.
Pour simplifier, nous parlerons, dans les pages qui suivent, du combustible nucléaire utilisé dans les réacteurs à eau sous pression (REP). En effet, les centrales nucléaires constituées d’un ou plusieurs REP sont les plus répandues dans le monde (voir dossier pédagogique Le fonctionnement d’un réacteur nucléaire).
Mis à jour le novembre 2007
Le cycle du combustible
- Avant le réacteur : la préparation du combustible
- Dans le réacteur : la consommation du combustible
- Après le réacteur : le retraitement
- Les déchets nucléaires
L'EXTRACTION DE L'URANIUM DU MINERAI
L’uranium est un métal relativement répandu dans l’écorce terrestre (50 fois plus que le mercure par exemple). Comme la plupart des métaux, il ne s’extrait pas directement sous sa forme pure parce qu’à l’état naturel il se trouve, dans des roches, combiné à d’autres éléments chimiques. Les roches les plus riches en uranium sont les minerais uranifères (c’est-à-dire contenant de l’uranium), telles, par exemple, l’uraninite et la pechblende.
Le cycle du combustible nucléaire commence donc par l’extraction du minerai uranifère dans des mines à ciel ouvert ou en galeries souterraines. Les principaux gisements connus se trouvent en Australie, aux États-Unis, au Canada, en Afrique du Sud et en Russie.
LA CONCENTRATION
ET LE RAFFINAGE DE L'URANIUM
La teneur du minerai en uranium est en général assez faible. En France, par exemple, chaque tonne de minerai contient de 1 à 5 kg d’uranium (soit entre 0,1 et 0,5 %). Il est donc indispensable de concentrer l’uranium de ces minerais, ce qui se fait le plus souvent sur place.Les roches sont d’abord concassées et finement broyées, puis l’uranium est extrait par diverses opérations chimiques. Le concentré fabriqué a l’aspect d’une pâte jaune appelée “yellow cake”.
Il contient environ 75% d’oxyde d’uranium, soit 750 kg par tonne. Le concentré d’uranium ne peut pas être utilisé tel quel dans les réacteurs nucléaires. L’oxyde d’uranium doit d’abord être débarrassé des impuretés par différentes étapes de purification (raffinage). Très pur, il est ensuite converti en tétrafluorure d’uranium (UF4) constitué de quatre atomes de fluor et d’un atome d’uranium.
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l’uranium naturel doit être enrichi en uranium 235. ”
L'ENRICHISSEMENT DE L'URANIUM
Pour alimenter les REP, il faut disposer d’un combustible dont la proportion d’uranium 235 se situe entre 3 et 5 %, car seul cet isotope de l’uranium peut subir la fission nucléaire libératrice d’énergie (Voir dossier pédagogique Le fonctionnement d'un réacteur nucléaire). Or, dans 100 kg d’uranium naturel, il y a 99,3 kg d’uranium 238 et 0,7 kg d’uranium 235, soit 0,7 % seulement d’uranium 235 fissile. L’opération consistant à augmenter la proportion d’uranium 235 est appelée enrichissement.
L’enrichissement est une opération difficile car, comme tous les isotopes d’un même élément, l’uranium 235 et l’uranium 238 se ressemblent beaucoup et ont quasiment les mêmes propriétés chimiques (Voir dossier pédagogique L'atome). Cependant, il est possible de les différencier grâce à leur légère différence de masse. En effet, l’uranium 235 est un tout petit peu plus léger que l’uranium 238.
C’est pourquoi, actuellement, l’enrichissement de l’uranium est basé sur la différence de mobilité due à cette faible différence de masse. De tous les procédés d’enrichissement étudiés jusqu’à présent, deux ont été développés à l’échelle industrielle : la diffusion gazeuse et l’ultracentrifugation.
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© Cogema/O. Martel
DIFFÉRENTES MÉTHODES D’ENRICHISSEMENT
Avant son enrichissement par ce procédé, le tétrafluorure d’uranium, obtenu après extraction du minerai et raffinage, sera transformé en hexafluorure d’uranium (UF6) qui a la propriété d’être gazeux à partir de 56 °C.
Le procédé par diffusion gazeuse consiste à faire passer l’UF6 à l’état gazeux à travers une multitude de “barrières” qui sont des membranes percées de trous minuscules. Les molécules d’hexafluorure d’uranium 235, plus légères que celles d’hexafluorure d’uranium 238, traversent un peu plus rapidement chaque barrière, ce qui permet d’enrichir peu à peu l’uranium. Mais étant donné la masse très voisine des deux isotopes, le ralentissement de l’uranium 238 est très faible par rapport à celui de l’uranium 235. C’est pourquoi, en France, dans l’usine d’enrichissement de l’uranium (usine Eurodif de Tricastin dans la vallée du Rhône fournissant plus du tiers de la production mondiale d’uranium enrichi), l’opération doit être répétée 1 400 fois pour produire un uranium assez enrichi en uranium 235, alors utilisable dans des centrales nucléaires classiques.
Un autre procédé d’enrichissement de l’uranium est utilisé à moins grande échelle par le groupe européen Urenco (Allemagne, Pays-Bas, Grande-Bretagne) : c’est l’ultracentrifugation.
Ce principe de séparation utilise une centrifugeuse qui, telle une essoreuse à salade tournant à grande vitesse, projette plus vite à sa périphérie l’hexafluorure d’uranium 238 que l’hexafluorure d’uranium 235 qu’elle contient. La très légère différence de masse entre les deux molécules permet ainsi d’augmenter petit à petit la concentration en uranium 235. Là encore, de nombreuses étapes successives sont nécessaires pour obtenir un enrichissement suffisant.