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1 - GÉNÉRALITÉS SUR LE CYCLE DU COMBUSTIBLE NUCLÉAIRE

  • 1.1 - Combustible des différents réacteurs nucléaires
  • 1.2 - Flux de matières nucléaires
  • 1.3 - Quelques fondamentaux sur la chimie de l'uranium et des actinides
  • 1.4 - Aperçu général du cycle du combustible en France

2 - AMONT DU CYCLE DU COMBUSTIBLE NUCLÉAIRE

  • 2.1 - Uranium naturel et son extraction
  • 2.2 - Conversion de l'uranium
  • 2.3 - Enrichissement de l'uranium
  • 2.4 - Fabrication du combustible

3 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : BN3560 v2

Amont du cycle du combustible nucléaire
Cycle du combustible nucléaire : généralités et amont du cycle

Auteur(s) : Dominique GRENECHE

Date de publication : 10 janv. 2016

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RÉSUMÉ

Dans cet article, on présente quelques notions de base sur le combustible des réacteurs nucléaires et sur ce qui est appelé le «cycle du combustible ». On précise par ailleurs quelques ordres de grandeur notamment sur les flux de matières nucléaires gérées dans ce cycle et on introduit quelques notions de base sur la chimie de l’uranium et des actinides. On décrit ensuite les différentes étapes du processus couramment appelé « amont du cycle du combustible », qui consiste à l’élaboration d’un élément combustible prêt à être chargé dans un réacteur nucléaire. On examine successivement la prospection et le traitement de l’uranium, sa conversion, son enrichissement, et enfin la fabrication du combustible. Pour chacun de ces secteurs, on traite non seulement les aspects techniques en décrivant notamment les procédés mis en œuvre et les outils industriels utilisés, mais aussi les marchés de chaque secteur d’activité.

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ABSTRACT

In this article, we present some basics about the fuel for nuclear reactors and on what is called the "fuel cycle". We also specify some orders of magnitude particularly on nuclear material flows handled in this cycle and we introduce some basics on the chemistry of uranium and actinides. Then, we describe the different stages of the process commonly called "Front-end of the fuel cycle" which consists in the development of a fuel element ready to be loaded in a nuclear reactor core. We successively examine the exploration and processing of uranium, its conversion, its enrichment, and finally the fuel fabrication. For each of these sectors, we are dealing not only with the technical aspects in particular in describing the processes involved and industrial tools used, but we also address the markets of each activity sector.

Auteur(s)

  • Dominique GRENECHE : Docteur ès science - Consultant et expert international Nuclear Consulting

INTRODUCTION

L'énergie délivrée par les réacteurs nucléaires repose sur la fission de noyaux atomiques par des neutrons. Ce phénomène de fission n'est possible que pour certains noyaux lourds très particuliers appelés noyaux fissiles. Il faut donc alimenter les réacteurs nucléaires avec ces noyaux fissiles conditionnés sous différentes formes dans un objet appelé combustible nucléaire. Ce terme est en fait une extension de celui qui est généralement réservé aux matières riches en carbone qui sont brûlées pour produire de l'énergie dans des installations classiques, et que l'on appelle des combustibles fossiles (essentiellement charbon, tourbe, gaz et pétrole). Cette analogie s'arrête là car les phénomènes de base sont totalement différents dans les deux cas : réaction chimique pour les combustible fossiles, mettant en jeu les forces électroniques des atomes, réactions nucléaires pour les combustibles nucléaires, mettant en jeu les forces contenues dans les noyaux atomiques.

Cela est l'occasion de souligner l'énorme écart qui existe en termes quantitatifs entre ces deux formes d'énergie. Rappelons, en effet, que la fission d'un noyau atomique dégage une quantité d'énergie à peu près égale à 200 MeV alors que l'énergie dégagée par une réaction chimique quelconque n'est tout au plus que de l'ordre de quelques dizaines d'électrons-volts. En conséquence, dans le domaine de l'énergie nucléaire et à une échelle industrielle on va s'exprimer en termes de tonnes ou tout au plus en milliers de tonnes de combustible alors que pour les combustibles fossiles les quantités en jeu se chiffrent en millions ou même en centaines de millions de tonnes.

Un combustible nucléaire est donc constitué fondamentalement de noyaux atomiques fissiles. Or, dans la nature il n'existe qu'un seul noyau ayant cette propriété : l'uranium 235 (noté 235U) qui est l'un des deux isotopes formant l'uranium naturel (noté Unat), l'autre étant l'uranium 238 (noté 238U). Ainsi, c'est l'Unat qui constitue l'élément naturel de base servant à fabriquer les combustibles utilisés dans les réacteurs nucléaires. Cet élément naturel, comme la plupart des autres matières naturelles utilisées pour fabriquer des produits industriels, est à rechercher à la surface du globe pour localiser les gisements économiquement rentables, puis extraire la matière recherchée. Comme cette matière n'est jamais pure à l'état naturel, il faut la purifier et ensuite la transformer à l'aide de processus physiques et chimiques divers afin d'obtenir un produit élaboré répondant aux besoins et aux normes souhaités. Il faut enfin conditionner ce produit élaboré sous la forme désirée, ici, un combustible nucléaire directement chargé dans le cœur d'un réacteur nucléaire, pour produire de l'énergie. L'ensemble de ces étapes s'appelle « l'amont du cycle du combustible » et fera l'objet de la section 2.

Une fois que ce combustible a séjourné en réacteur pour produire toute l'énergie souhaitée, il est déchargé du réacteur et devient un combustible usé que l'on ne peut pas abandonner directement, d'autant qu'il est très radioactif, et donc potentiellement dangereux. Il existe aujourd'hui deux grandes options pour prendre en charge le devenir de ce combustible usé :

  • 1. Le conditionnement direct dans des conteneurs afin de pouvoir ensuite le stocker de façon définitive et sûre. C'est ce que l'on appelle communément le « cycle ouvert » ;

  • 2. Le traitement visant à séparer les matières qu'il contient pour procéder ensuite aux opérations permettant de recycler certaines de ces matières (notamment les noyaux fissiles qui sont encore contenus dans ces combustibles usés) ou d'éliminer certaines autres, qui ne sont pas recyclables, en les destinant à un stockage définitif après conditionnement approprié. C'est ce que l'on appelle communément le « cycle fermé ».

Quelle que soit l'option retenue, l'ensemble de ces opérations s'appelle « l'aval du cycle du combustible ». Ce sujet fait l'objet d'un autre article, dans lequel on aborde en outre plusieurs aspects génériques liés au cycle du combustible nucléaire : transport des matières et matériaux radioactifs ainsi que celui des déchets liés au fonctionnement des installations, aspects économiques, sûreté des installations du cycle du combustible, démantèlement, aspects géopolitiques spécifiques liés au déploiement de l'industrie du cycle du combustible dans le monde.

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KEYWORDS

nuclear reactor   |   uranium   |   nuclear fuel   |   enrichment   |   fuel fabrication

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-bn3560


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2. Amont du cycle du combustible nucléaire

2.1 Uranium naturel et son extraction

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2.1.1 Prospection

Rappelons que l'uranium est le seul élément naturel avec lequel il est possible d'entretenir une réaction en chaîne et donc de faire fonctionner un réacteur nucléaire pour produire de l'énergie, mais aussi pour fabriquer des bombes atomiques. Cela explique les efforts importants déployés d'abord aux États-Unis, peu après la découverte de la fission fin décembre 1938, pour s'approvisionner en uranium. Dès la fin de la Seconde Guerre mondiale, quelques autres pays, dont la France, vont lancer des campagnes de prospection sur leur sol national et à travers des territoires étrangers, notamment, pour ce qui concerne la France, à Madagascar et en Côte d'ivoire ainsi que dans des zones de l'Afrique équatoriale française. Sur le sol national, un premier indice de présence d'autunite (phosphate d'uranium et de calcium hydraté) est trouvé dès juillet 1946 et le premier filon de pechblende est découvert en novembre 1948 à La Crouzille, dans le Limousin. Cette course à l'uranium est l'occasion « d'inventer » des méthodes de prospection spécifiques basées sur sa caractéristique unique (partagée cependant avec le thorium) qui est sa radioactivité naturelle et celle de ses descendants dont l'un d'eux, le radon, est un gaz qui diffuse dans les sols. Ces méthodes seront améliorées dans le temps et elles seront complétées par des moyens de prospection plus classiques faisant appel à la géophysique (électromagnétisme, gravimétrie, sismicité, etc.), à la géochimie ou encore à la paléogéographie. Il existe donc aujourd'hui de multiples moyens de recherche de gisements d'uranium qui sont décrits dans l'article [BN 3 570], auquel le lecteur intéressé pourra se référer. Précisons simplement ici que l'uranium est assez bien...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - CEA -   Les centrales nucléaires dans le monde – ELECNUC.  -  Institut de Technico. Économie des Systèmes Énergétiques (ITESE) (2014).

  • (2) - GRENECHE (D.) -   Quel cycle pour la filière RHT ?  -  Journées SFEN, 10-12 déc. 2002.

  • (3) - GRENECHE (D.) -   Optimisation de l'utilisation des ressources dans les réacteurs à eau légère.  -  Revue Générale Nucléaire, n° 5 (2010).

  • (4) -   Uranium 2014 : resources, production and demand.  -  A Joint Report by the OECD Nuclear Energy Agency and the International Atomic Energy Agency (2014).

  • (5) - World Nuclear Association -   World uranium mining production  -  (mise à jour d'octobre 2014).

  • (6) - World Nuclear Association -   *  -  In...

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