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Le cycle du combustible
- Le cycle du combustible
- De la roche uranifère au «yellow cake»
- Du concentré d'uranium à l'uranium enrichi
- De l'uranium enrichi à la centrale nucléaire
- De la centrale nucléaire à au dépôt intermédiaire
- De la centrale nucléaire au recyclage
- Un retraitement controversé
- Du dépôt intermédiaire au dépôt en couches géologique profondes
Le cycle du combustible
Sur son parcours depuis la mine d’uranium au retraitement ou à l’élimination des déchets radioactifs en passant par l’utilisation dans les centrales nucléaires, l’uranium passe par des processus de traitement sophistiqués. Toutes ces étapes sont résumées dans le concept de «cycle du combustible nucléaire».
De la roche uranifère au «yellow cake»
L’uranium est obtenu à partir du minerai d’uranium exploité dans des mines ou comme sous‑produit de l’extraction d’autres substances. Pour en savoir plus sur l’extraction de l’uranium et les réserves d’uranium de la Terre, cliquez ici.
Après son extraction, le matériau uranifère est séparé des autres roches, fracturé et broyé. L’uranium est ensuite isolé par voie chimique de la roche d’accueil et purifié. Le produit résultant est une poudre jaune, constituée à 90% d’un composé d’uranium et d’oxygène (oxyde d’uranium) et appelée «yellow cake» (gâteau jaune) en raison de son aspect.
Du concentré d'uranium à l'uranium enrichi
Parmi les types d’uranium présents dans la nature (appelés isotopes), seul l’uranium 235 est facilement fissible. Cependant, l’uranium naturel et le «yellow cake» sont principalement composés d’uranium 238, difficilement fissible, et contiennent seulement 0,7% d’uranium 235, une concentration trop faible pour maintenir une réaction en chaîne dans les réacteurs à eau légère. L’uranium naturel doit donc être «enrichi», c’est‑à‑dire que la proportion d’uranium 235 doit être augmentée: de l’U 235 est donc retiré d’une partie de l’uranium (celle‑ci est appauvrie) et incorporé dans l’autre partie jusqu’à ce qu’elle contienne 4 à 5% d’uranium 235. C’est cette partie qui sera ensuite utilisée.
Pour en savoir plus sur les différents types d’uranium et leurs propriétés, cliquez ici.
Le processus d’enrichissement est techniquement très compliqué car il faut pour cela séparer les uns des autres les différents isotopes. L’uranium 235 et l’uranium 238 ne diffèrent certes pas du point de vue chimique, mais ils sont de poids différent. Le noyau atomique de l’uranium 238 contient trois particules (neutrons) de plus et il est très légèrement plus lourd que l’uranium 235. Cette différence est mise à profit dans le procédé de séparation, aujourd’hui classique, par des centrifugeuses à régime de rotation rapide. Cette méthode, très économe en énergie, a maintenant supplanté d’autres procédés, comme l’enrichissement par diffusion.
Avant l’enrichissement, le «yellow cake» doit cependant être mis dans une forme appropriée pour la suite du traitement. Cette étape se nomme «conversion». L’oxyde d’uranium est transformé en hexafluorure d’uranium, un composé blanc dont l’aspect rappelle celui du sel. Il est facile de faire passer ce matériau à l’état gazeux dans l’installation d’enrichissement et de le ramener à l’état solide à l’issue du processus de séparation.
En Europe, il existe des installations d’enrichissement commerciales en Allemagne, en France, en Grande-Bretagne et aux Pays-Bas, avec des systèmes de centrifugation énergétiquement efficients qui ont remplacé les anciennes installations de diffusion. En 2012, aux Etats-Unis, la construction d’une installation d’enrichissement au laser a marqué les débuts d’une toute nouvelle technologie. Ces installations sont placées sous le contrôle de l’autorité de surveillance nucléaire du pays concerné et de l’AIEA.
A l’issue du processus d’enrichissement, il reste de l’uranium appauvri (également appelé «tails» ou «depleted uranium» dans le jargon spécialisé) dans les installations d’enrichissement. Cet uranium appauvri contient encore un peu d’uranium 235 et il est stocké. Si le prix de l’uranium devait augmenter, extraire l’U 235 restant dans ces tails et s’en servir pour l’enrichissement pourrait en valoir la peine. Il serait également possible d’utiliser, à l’avenir, le matériau appauvri – constitué en majeure partie d’U 238 – comme combustible dans ce que l’on appelle des surrégénérateurs rapides. L’uranium appauvri n’est donc pas un déchet, mais plutôt un combustible nucléaire potentiel. L’AIEA met à disposition quantité d’informations sur ce thème. Pour en savoir plus à ce sujet, cliquez ici. (Informations en anglais)
De l'uranium enrichi à la centrale nucléaire
L’uranium enrichi est acheminé jusqu’à l’usine d’éléments de combustible. Là, l’hexafluorure d’uranium est transformé en un oxyde d’uranium noir pulvérulent (UO2). Celui-ci est pressé en petites pastilles de combustibles, appelées «pellets», cuites à hautes températures pour former une céramique dense.
Les pellets sont introduits dans de longs tubes fins en alliage spécial, très résistants à la chaleur et perméables aux neutrons. Ces crayons combustibles sont réunis pour créer des éléments de combustible dont la taille varie en fonction du type de réacteur. Le combustible nucléaire est alors prêt à être utilisé dans la centrale.
De la centrale nucléaire à au dépôt intermédiaire
Après cinq ans environ dans le réacteur et d’innombrables fissions nucléaires, les pellets contiennent moins de 1% d’uranium 235, alors qu’ils en renfermaient 4 à 5% à l’origine. L’élément de combustible a fait son temps. Un cinquième des éléments de combustible est donc remplacé par des éléments frais lors du changement annuel de combustible. Les éléments de combustible usagés sont fortement radioactifs et émettent radiations et chaleur, même après avoir été déchargés du réacteur. Ils sont entreposés dans le bassin de stockage des éléments de combustible de la centrale nucléaire, une grande «piscine» qui refroidit les éléments de combustible et constitue une protection fiable contre leur rayonnement.
Les éléments de combustible restent dans ce bassin pendant quelques années. Ensuite, ils sont enfermés dans des conteneurs de transport et de stockage aux parois épaisses et acheminés jusqu’au dépôt intermédiaire (Zwilag), à Würenlingen, en Argovie. Ils y resteront jusqu’à la mise en service, aux alentours de 2050, du dépôt géologique en couches profondes pour déchets fortement radioactifs. Au cours de cette période, la radioactivité diminuera en très grande partie, et les éléments de combustible refroidiront pour atteindre une température adaptée à la roche d’accueil du dépôt en couches profondes.
De la centrale nucléaire au recyclage
Un élément de combustible usagé ne comporte qu’environ 4% de déchets radioactifs. Les 96% restants peuvent, en principe, continuer à être utilisés comme combustible nucléaire (il s’agit le plus souvent d’uranium 238, mais aussi d’uranium 235 et de plutonium 239). Les combustibles nucléaires recyclables sont séparés des déchets radioactifs dans des installations de retraitement comme celle de La Hague (France) ou de Sellafield (Angleterre). Ils peuvent donc à nouveau servir pour la production d’électricité. L’uranium 235 recyclé et le dioxyde de plutonium apparu dans les éléments de combustible usagés peuvent être réutilisés dans les centrales nucléaires existantes en mélange avec du dioxyde d’uranium frais, sous la forme de ce que l’on appelle du combustible à oxydes mixtes (MOX).
Les déchets hautement radioactifs restant à l’issue du retraitement sont vitrifiés, enfermés dans des récipients en acier et évacués dans de solides conteneurs de transport. Les déchets reviennent en Suisse dans ces solides enceintes résistant à des collisions violentes, au feu et même à l’impact de projectiles lourds, pour être entreposés dans le dépôt intermédiaire de Würenlingen.
Ce recyclage ménage non seulement les ressources en uranium, mais réduit en même temps de 80% le volume des déchets radioactifs. De plus, la toxicité des déchets baisse fortement grâce à la séparation du plutonium, et ils doivent être maintenus à l’écart de l’environnement dix fois moins longtemps. Un dépôt géologique en couches profondes reste cependant nécessaire.
Un retraitement controversé
Certains pays renoncent au retraitement. Les processus complexes et, en particulier, la manipulation du plutonium nécessitent des précautions de sécurité particulières, y compris pour la fabrication du combustible MOX. Aujourd’hui, les installations de retraitement pratiquent certes une politique de «zéro émission», mais les rejets plus ou moins importants du passé nuisent encore à leur réputation.
S’il est renoncé au recyclage, les éléments de combustible usagés sont directement déposés en couches profondes après avoir refroidi dans le dépôt intermédiaire. Cette élimination directe peut économiser des coûts – le retraitement est un processus compliqué et coûteux – et épargne des transports. En revanche, les dépôts en couches géologiques profondes sont plus grandes et plus chères en raison du volume supérieur de déchets.
Pendant de nombreuses années, les centrales nucléaires suisses ont recyclé leur combustible usagé et sont maintenant arrivées au terme de tous les processus de retraitement. Le combustible MOX n’est plus utilisé. Le retraitement a été interdit pour dix ans à la mi-2006 par un arrêté des Chambres fédérales. A sa place, les éléments de combustible usagés sont conservés dans les centrales nucléaires et dans le dépôt intermédiaire de Würenlingen. La méthode qui sera utilisée à l’expiration du moratoire reste à déterminer. En fonction du nouveau contexte, le retraitement sera à nouveau possible ou bien l’élimination directe sera nécessaire.
Du dépôt intermédiaire au dépôt en couches géologique profondes
Pour finir, tous les déchets radioactifs sont acheminés dans un dépôt en couches géologiques profondes. Ils sont tenus là, en toute fiabilité, à l’écart du biotope humain, animal et végétal jusqu’à ce que leur radioactivité résiduelle se dissipe. Les spécialistes internationaux sont depuis longtemps unanimes à reconnaître que le stockage de déchets hautement radioactifs à plusieurs centaines de mètres de profondeur et dans des roches appropriées est sûr. Les déchets sont alors isolés en toute sûreté de la biosphère, jusqu’à ce qu’ils soient devenus inoffensifs. Cela concerne l’élimination des déchets en provenance des centrales nucléaires, mais aussi les déchets radioactifs produits par la médecine, l’industrie et la recherche. La loi suisse prescrit donc le dépôt géologique en couches profondes pour tous les types de déchets radioactifs.
Pour en savoir plus sur l’élimination des déchets radioactifs, cliquez ici.