LE COMBUSTIBLE
Un combustible est une matière qui fournit de la
chaleur en brûlant. Les plus connus sont le bois, le charbon, le gaz naturel ou
le pétrole. Par analogie, l’uranium, utilisé dans les centrales nucléaires, est
appelé “combustible nucléaire” car il dégage aussi de la chaleur mais cette fois
par fission et non par combustion.
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.
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 (L’uranium
est un métal qui s’oxyde très rapidement au contact de l’oxygène de l’air, se
transformant en 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.
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). 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. 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.
LA PRÉPARATION DES ASSEMBLAGES DE COMBUSTIBLE
Après enrichissement, l’hexafluorure d’uranium est converti en oxyde d’uranium
sous la forme d’une poudre noire. Celle-ci est comprimée puis frittée (cuite au
four) pour donner des petits cylindres d’environ 1 cm de long et gros comme des
petits morceaux de craie, appelés “pastilles”. Chaque pastille, qui ne pèse que
7 g, peut libérer autant d’énergie qu’une tonne de charbon (1 million de
grammes).
Les pastilles sont enfilées dans de longs tubes métalliques de 4
m de long en alliage de zirconium, les “gaines”, dont les extrémités sont
bouchées de manière étanche pour constituer les “crayons” de combustible. Pour
une centrale, plus de 40 000 crayons sont préparés pour être rassemblés en
“fagots” de section carrée, appelés assemblages de combustible. Chaque
assemblage contient 264 crayons. Le chargement d’un réacteur nucléaire de 900
mégawatts (millions de watts) nécessite 157 assemblages contenant en tout 11
millions de pastilles.