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Article

1 - ENJEUX ET STRATÉGIES

2 - CARACTÉRISTIQUES DES COMBUSTIBLES À TRAITER

3 - OBJECTIFS ET CONTRAINTES SPÉCIFIQUES

4 - GÉNÉRALITÉS SUR LES PROCÉDÉS

  • 4.1 - Évolution
  • 4.2 - Principales étapes du retraitement

5 - OPÉRATIONS DE TÊTE

6 - SÉPARATION ET PURIFICATION

7 - ÉLABORATION DES PRODUITS FINIS

Article de référence | Réf : BN3650 v1

Enjeux et stratégies
Retraitement du combustible - Principales opérations

Auteur(s) : Michel BOURGEOIS

Date de publication : 10 juil. 2000

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Auteur(s)

  • Michel BOURGEOIS : Ingénieur de l’École nationale supérieure des industries chimiques de Nancy (ENSIC) - Ancien Conseiller auprès du Directeur du cycle du combustible au Commissariat à l’énergie atomique

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INTRODUCTION

Le devenir des combustibles déchargés des réacteurs nucléaires constitue pour l’industrie nucléaire une des préoccupations majeures, avec comme alternative leur retraitement ou leur stockage définitif en l’état (stockage direct). Le choix entre ces deux stratégies comporte des enjeux d’ordre politique, économique et écologique.

Contrairement au stockage direct, le retraitement — expression abrégée tirée de l’anglais « reprocessing » pour « traitement des combustibles irradiés » — présente, certes au prix d’opérations très complexes, le double intérêt de récupérer, à un degré de pureté autorisant leur recyclage dans de nouveaux combustibles, les matières nucléaires énergétiques (uranium, plutonium ; thorium le cas échéant) et de conditionner les déchets radioactifs sous la forme la mieux adaptée à leur stockage définitif, avec une réduction significative de leur volume total et de leur radiotoxicité.

Cette solution ouvre également la voie à une réduction encore plus importante de la nuisance potentielle à long terme des déchets en séparant de manière plus complète les éléments radioactifs à vie longue et en les transmutant en éléments stables ou à vie courte.

À l’origine, le retraitement a eu pour unique but l’obtention de plutonium destiné à la fabrication d’armes nucléaires. Le développement du retraitement à des fins civiles est étroitement lié à celui des réacteurs électronucléaires, en tenant compte notamment des quantités et des caractéristiques des combustibles irradiés déchargés et des besoins en matières énergétiques.

Actuellement, les réacteurs à eau ordinaire constituent la grande majorité du parc électronucléaire mondial et la totalité du parc français, si l’on excepte le réacteur prototype à neutrons rapides Phénix, depuis l’extinction de la filière à uranium naturel graphite-gaz en 1994 et l’abandon du réacteur à neutrons rapides Superphénix en 1998.

Le procédé PUREX (Plutonium Uranium Refining by Extraction), consistant à une mise en solution nitrique du combustible irradié suivie d’une série d’extractions sélectives par le phosphate tributylique, a rapidement supplanté tous les autres. Il reste depuis près de cinquante ans à la base des procédés retenus dans les installations industrielles. C’est le cas actuellement pour les usines en service (La Hague en France et Sellafield au Royaume-Uni), ou en construction (Rokkasho-Mura au Japon), dédiées au retraitement des combustibles des réacteurs à eau ordinaire.

Cette première partie, consacrée à la description des principales étapes du procédé, allant de la réception des combustibles à l’élaboration des produits finis (uranium et plutonium), est axée sur leur mise en œuvre dans ces usines, en mentionnant cependant les principales variantes qui ont été utilisées dans des installations antérieures ainsi que les aspects spécifiques du retraitement d’autres types de combustibles, en particulier ceux des autres réacteurs qui ont été développés en France : uranium naturel graphite-gaz et neutrons rapides.

Nota :

L’étude complète du sujet comprend les articles :

— Retraitement du combustible- Principales opérations – Retraitement du combustible. Principales opérations (le présent article) ;

Retraitement du combustible- Traitement des déchets – Retraitement du combustible. Traitement des déchets ;

— Retraitement du combustible- Procédés, ingénierie et usines – Retraitement du combustible. Procédés, ingénierie et usines ;

– Retraitement du combustible.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-bn3650


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1. Enjeux et stratégies

Au fur et à mesure qu’il produit de l’énergie, le combustible nucléaire subit des modifications de plus en plus importantes jusqu’au moment où son remplacement est jugé nécessaire pour le bon fonctionnement du réacteur, ce qui se produit bien avant son épuisement total en matières fissiles. La réactivité du combustible diminue, en effet, du fait de l’action conjuguée de son appauvrissement en noyaux fissiles, insuffisamment compensé par la formation de nouveaux noyaux fissiles (plutonium 239, 241) par capture neutronique de noyaux fertiles (uranium 238) ou fissiles, et de son enrichissement en noyaux capteurs de neutrons (produits de fission, certains actinides). De plus, les matériaux de structure subissent des agressions sévères dues, non seulement au bombardement neutronique auquel ils sont soumis, mais encore, pour les gaines, aux interactions thermiques, mécaniques et chimiques (corrosion) avec le combustible, dont ils constituent la première barrière, et avec le fluide caloporteur. Il en résulte des déformations (allongements, gonflements, arcures, etc.), des fragilisations et des risques de fissuration.

Les combustibles ainsi déchargés, appelés combustibles irradiés ou combustibles usés, contiennent à la fois les matières fissiles et fertiles résiduelles représentant une valeur énergétique encore importante et des produits radioactifs, émetteurs de rayonnements alpha, bêta, gamma et de neutrons, qui les rendent très irradiants et très chauds, avec une radiotoxicité pouvant durer pendant des millions d’années, du fait de la présence de radionucléides de longue période radioactive.

Leur gestion, qui constitue la fin du cycle du combustible (ou aval du cycle, c’est-à-dire la partie du cycle située en aval du réacteur), se présente donc comme une question inéluctable, objet de nombreuses controverses, à laquelle sont confrontés tous les pays utilisant l’énergie nucléaire.

Deux grandes stratégies s’opposent :

  • celle du retraitement incluant la gestion des déchets qui en résultent ;

  • celle du stockage direct définitif, sans retraitement, des combustibles usés, considérés alors comme déchets.

  • La stratégie du retraitement (retraitement après quelques années de refroidissement ou retraitement immédiat) a été choisie dès le départ par la France. Ce choix est partagé par d’autres...

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