NUCLÉAIRE Cycle du combustible

Le développement industriel des réacteurs nucléaires n'est possible que grâce à la création d'industries spécialisées, souvent fort complexes, en particulier celles qui assurent les différentes phases de transformation du combustible nucléaire destiné à l'alimentation des réacteurs. Il s'agit tout d'abord d'extraire le minerai d'uranium, de le mettre sous les formes physiques et chimiques permettant l'entretien de la réaction en chaîne dans les réacteurs et de gérer les combustibles usés une fois que l'énergie nucléaire en a été extraite. On s'intéressera surtout dans cet article aux réacteurs à eau légère, qui constituent la majorité du parc mondial. Le cycle du combustible associé à ces réacteurs utilise obligatoirement l'uranium enrichi. Pour la gestion des combustibles usés, deux grandes options sont déployées sur le plan industriel :

– le cycle fermé, dans lequel les matières valorisables sont récupérées dans des usines particulières pour être recyclées et produire encore de l'énergie nucléaire, les déchets ultimes étant conditionnés pour être entreposés ou stockés ;

– le cycle ouvert, dans lequel les combustibles usés sont entreposés dans l'attente d'une solution définitive.

les différentes étapes du cycle du combustible

En partant du minerai d'uranium naturel, cinq grandes étapes sont nécessaires pour obtenir les éléments combustibles que l'on charge en réacteur. Ces phases, représentant l'amont du cycle, sont les suivantes :

– l'exploitation minière de l'uranium et la production de concentrés purifiés sous forme de di-uranate (NH₄)₂U₂O₇ ;

– la conversion chimique de ces concentrés en hexafluorure UF₆ gazeux, en passant par les phases oxydes UO₃ et UO_2 ;

– l'enrichissement de l'hexafluorure, permettant d'augmenter la teneur en uranium 235 aux valeurs compatibles avec l'entretien d'une réaction en chaîne dans les réacteurs à eau légère (de 3,25 p. 100 à 4,5 p. 100 selon les gestions des éléments combustibles en réacteur) [cf. L'enrichissement de l'uranium] ;

– la conversion de l'hexafluorure enrichi UF₆en oxyde UO₂ sous forme de poudre, qui constitue la matière de base des assemblages des réacteurs à eau légère ;

– la fabrication des assemblages qui passe par la transformation de la poudre en pastilles par pressage mécanique puis frittage et usinage. Ces pastilles sont enfilées dans des gaines en alliage métalliques de zirconium pour constituer des crayons. Ces derniers sont ensuite regroupés pour former des assemblages.

Ce sont ces assemblages qui sont chargés dans les réacteurs à eau légère, où ils séjournent entre 36 et 54 mois selon les modes d'exploitation. Pour ce type de réacteurs, toutes ces étapes sont nécessaires.

Après leur passage en réacteur, où ils ont subi des modifications physico-chimiques, les assemblages sont déchargés. Ils font alors l'objet de deux grandes étapes qui constituent l'aval du cycle du combustible :

– l'entreposage pour refroidissement en sortie de réacteur, réalisé sous eau en piscine dans le bâtiment combustible de la centrale ;

– le retraitement (ou encore traitement) destiné à séparer les matières valorisables qui pourront être recyclées et à conditionner les déchets ultimes (cf. Le traitement et les déchets nucléaires).

Ce cycle du combustible nucléaire (fig. 1) représente une part importante du coût du kilowattheure nucléaire (environ un quart, si on retire l'amortissement des investissements), dont la moitié pour les deux phases essentielles que sont l'enrichissement et le retraitement. Ces dernières sont aussi importantes à d'autres titres : elles permettent le bouclage économiquement très souhaitable du cycle du combustible et, par le retraitement, l'ouverture vers une[...]