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La chimie pour l’énergie

Chimie pour l’énergie nucléaire - Partie 2


S'il est une énergie où la chimie a toute sa place, c'est bien l'énergie nucléaire. La chimie est présente depuis l'extraction de l'uranium jusqu'à la gestion des déchets nucléaires.

Publié le 1 décembre 2012

Le conditionnement des déchets

Les déchets de l’énergie nucléaire sont caractérisés par des quantités très faibles en comparaison de ceux produits par les autres moyens de production d’énergie. Mais leur toxicité potentielle nécessite de protéger l’homme et l’environnement du risque associé.

Les déchets nucléaires doivent être isolés au moyen de plusieurs barrières, la première étant la matrice de confinement. Le rôle des barrières de confinement est de retarder au maximum l’arrivée de l’eau au contact des déchets et ainsi retarder la migration des radionucléides dans l’environnement. Ces matrices sont spécifiques pour le nucléaire, car elles doivent durer très longtemps (des millénaires). Elles sont principalement en verre et en ciment. Les déchets d’exploitation (type FA et/ou MA) sont introduits dans un conteneur en métal ou en béton, dans lequel du béton (mélange de sable et du produit de la réaction entre du ciment et de l’eau) est coulé pour les bloquer. Les chimistes mettent au point des formulations de béton spécifiques afin de garantir le confinement des déchets et sa tenue dans le temps.

Les déchets de haute activité sont intégrés dans une matrice vitreuse, c’est-à-dire qu’ils sont mélangés à de la fritte de verre et fondus à très haute température (1 150 °C) dans un pot de fusion appelé « creuset chaud ». Ce mélange est ensuite coulé dans un conteneur en acier inoxydable de 175 litres. Le verre a été retenu pour ses propriétés de robustesse vis-à-vis des agressions chimiques et de sa faculté à incorporer dans sa structure une large variété d’éléments chimiques. La recherche d’une composition de verre est un compromis entre ses propriétés et la faisabilité technologique de son élaboration à l’échelle industrielle.

Ce procédé de « creuset chaud » est celui qui est utilisé dans l’usine de traitement des combustibles usés de La Hague. Un nouveau procédé de vitrification en « creuset froid » (technologie utilisant le chauffage par induction directe) a récemment été mis au point. Il présente notamment l’avantage de pouvoir conditionner dans du verre une gamme plus étendue de déchets, en particulier ceux issus du traitement des combustibles usés graphite-gaz. Une fois le déchet conditionné dans une matrice et un conteneur, il faut connaître son évolution au cours du temps. Les matrices de confinement doivent résister aux agressions externes comme l’altération par l’eau souterraine. Elles subissent donc des tests de lixiviation (extraction de produits solubles par l’eau) : des échantillons de verres sont mis au contact d’une eau constamment renouvelée pendant des mois.

VidéoChimie, recherche sur les déchets radioactifs
VidéoDépartement de traitement et de conditionnement des déchets (DTCD)

Creuset froid avancé
Creuset froid avancé. © PF.Grosjean/CEA

Les chercheurs les examinent ensuite par microscopie électronique afin d’étudier la façon dont ils se sont altérés : avec les verres nucléaires, l’altération mesurée ne s’étend que sur un dix millième de millimètre et la majorité des éléments radioactifs reste dans le verre. Toutefois, pour les déchets à vie longue destinés au stockage géologique, une extrapolation dans le temps des résultats acquis en laboratoire ne suffit pas. Les études doivent prendre en compte la notion de très longue durée, jusqu’à plusieurs dizaines de milliers d’années. Pour cela, les chercheurs étudient des analogues naturels ou archéologiques afin de comprendre comment ils ont évolué. En prenant en compte les résultats de toutes ces études, l’évolution des colis de déchets peut alors être décrite mathématiquement sous forme de modèles (depuis la dégradation des matrices jusqu’à la migration des radionucléides dans l’environnement immédiat du stockage).

Les différents types de déchets

  • Haute activité – vie longue HAVL

Principalement les produits de fission et actinides mineurs issus du combustible usé.

  • Moyenne activité – vie longue MAVL

Principalement des déchets métalliques issus de la structure du combustible usé et certains déchets technologiques.

  • Faible et moyenne activité – vie courte FA et MA

Résidus et objets usagés résultant du fonctionnement de centrales, usines de retraitement ou centres de recherches nucléaires, mais aussi de la médecine et de l’industrie.

  • Très faible activité – vie courte TFA

Matériaux issus de sites nucléaires en cours de démantèlement.


Corrosion


Les phénomènes de corrosion qui affectent les structures doivent être compris et maîtrisés.
Fours de traitement haute température utilisés pour les essais de corrosion en gaz
Fours de traitement haute température utilisés pour les essais de corrosion en gaz. © P.Stroppa/CEA

Essai de corrosion sous contrainte par l’iode dans une enceinte blindée
Essai de corrosion sous contrainte par l’iode dans une enceinte blindée. © F.Rhodes/CEA

Corrosion en sodium liquide à haute température
Corrosion en sodium liquide à haute température © P.Stroppa/CEA

VidéoLaboratoire d'études de la corrosion aqueuse (LECA)
Mise en place d’un échantillon sur l’accélérateur linéaire d’électrons nanoseconde pour l’étude de la radiolyse
Mise en place d’un échantillon sur l’accélérateur linéaire d’électrons nanoseconde pour l’étude de la radiolyse. © C.Dupont/CEA


La corrosion est une réaction (chimique ou physico-chimique) irréversible entre un matériau et son environnement qui conduit à la dégradation du matériau. Les exemples les plus connus sont les altérations chimiques des métaux à l’air ou dans l’eau, telles la rouille du fer et de l’acier ou la formation de vert-de-gris sur le cuivre et ses alliages (bronze, laiton). Cependant, la corrosion touche aussi les céramiques ou les polymères. L’étude fondamentale des phénomènes de corrosion relève essentiellement de l’électrochimie. Leur étude appliquée est du ressort de la physico-chimie. Elles nécessitent toutes deux une connaissance de base précise du matériau et du milieu dans lequel il se trouve.

La corrosion sous radiolyse et celle sous irradiation sont spécifiques au nucléaire. Pour pouvoir augmenter la durée de vie des réacteurs nucléaires actuels de seconde génération, il faut démontrer la longévité de leurs composants principaux. Par exemple celle des gaines de combustible soumises à une corrosion généralisée. Il faut évaluer le comportement des alliages de zirconium utilisés et en développer de nouveaux, plus résistants. Les phénomènes de corrosion qui affectent les éléments structuraux, comme la cuve, en acier inoxydable ou alliages de nickel, doivent être compris et maîtrisés. Lorsqu’un milieu agressif est combiné avec des effets mécaniques, on parle de corrosion sous contrainte. Elle touche les tubes des générateurs de vapeur et plusieurs autres composants en contact avec les fluides de refroidissement et génère des fissures. Des modèles ont été développés pour comprendre pourquoi, comment, dans quelles conditions elles se créent et se propagent et ainsi anticiper le remplacement des composants.

Pour les réacteurs du futur, métaux liquides, sels fondus, hélium à très haute température ou sodium sont envisagés comme caloporteur (fluide chargé de transporter l’énergie thermique vers le système de refroidissement). Celui-ci est choisi en fonction de ses propriétés physico-chimiques comme sa viscosité, sa capacité thermique, sa conductivité thermique, ses propriétés anticorrosives et son comportement face aux rayonnements neutroniques. Des études sont d’ores et déjà menées sur le comportement et la tenue à la corrosion des matériaux de structure au contact de ces différents fluides.

Actuellement, les opérations de traitement des combustibles usés utilisent des solutions concentrées d’acide nitrique. Des matériaux spéciaux ont dû être développés pour résister à la corrosion, et peuvent encore être améliorés pour le remplacement des composants défaillants des usines de retraitement du futur.


Radiolyse

La radiolyse est la décomposition de la matière par des rayonnements ionisants. Ce phénomène est la conséquence de l’interaction du rayonnement nucléaire avec l’eau de refroidissement des réacteurs, les molécules extractantes de la séparation ou les matériaux de confinement des déchets. Les effets secondaires sont, respectivement, la corrosion, la perte d’efficacité des propriétés d’extraction, l’altération des matériaux ou la production de gaz explosifs comme le dihydrogène (H2).

Dans une centrale nucléaire, l’eau du circuit primaire est portée à plusieurs centaines de degrés (300 °C) tout en étant exposée à un rayonnement très énergétique (neutrons et rayons γ) résultant de la réaction de fission de l’uranium. La radiolyse de l’eau entraîne un dégagement de H2 et la formation de H2O2 qui cause des problèmes de corrosion. Celle-ci est évitée par l’emploi de métaux adaptés et par l’ajout de dihydrogène à l’eau préalablement désoxygénée du circuit primaire. Mais il n’est pas facile d’optimiser la quantité de dihydrogène injecté car la chimie de l’eau des REP est complexe, fonction des effets de température, de la mixité des rayonnements, du pH…

Le projet de réacteur de fusion thermonucléaire contrôlée (ITER) est également confronté à la radiolyse. La paroi ceinturant le plasma confiné sera exposée à des températures extrêmes et à un rayonnement au moins dix fois plus fort que dans les réacteurs de centrales nucléaires actuelles. L’hypothèse de refroidir cette paroi avec de l’eau enrichie en dihydrogène est envisagée. Les chercheurs s’attachent donc à comprendre et maîtriser ce phénomène.