Le cycle du combustible

Sur son parcours depuis la mine d’uranium au retraitement ou à la gestion 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 produit secondaire de l’extraction d’autres substances.

Le matériau uranifère est séparé des autres roches, fracturé et broyé. La matière première est ensuite isolée par voie chimique de la roche d’accueil et purifiée. Le produit résultant est une poudre jaune, constituée à 90 pour cent 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 pour cent 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 quatre à cinq pour cent 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.

Cette méthode, très économe en énergie, a maintenant supplanté 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. 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 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 de nombreuses informations sur ce sujet. (Informations en anglais)

De l’uranium enrichi à la centrale nucléaire

L’uranium enrichi est acheminé jusqu’à l’usine d’éléments combustibles. 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 de zirkonium, très résistants à la chaleur et perméables aux neutrons. Ces crayons combustibles sont réunis pour créer des éléments combustibles 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 un pour cent d’uranium 235, alors qu’ils en renfermaient quatre à cinq  pour cent à l’origine. L’élément combustible a fait son temps. Un cinquième des éléments combustibles est donc remplacé par des éléments frais lors du changement annuel de combustible. Les éléments combustibles usés 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 combustibles de la centrale nucléaire, une grande «piscine» qui refroidit les éléments combustibles et constitue une protection fiable contre leur rayonnement.

Les éléments combustibles 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. Ils y resteront jusqu’à la mise en service, aux alentours de 2050, du dépôt en couches géologiques profondes pour déchets fortement radioactifs. Au cours de cette période, la radioactivité diminuera en très grande partie, et les éléments combustibles refroidiront pour atteindre une température adaptée à la roche d’accueil du dépôt en couches géologiques profondes.

Vous trouverez davantage d’informations sur le dépôt intermédiaire ici, ou sur le site Web de Zwilag. Vous en saurez plus sur le transport des substances radioactives ici.

De la centrale nucléaire au recyclage

Un élément combustible usé ne comporte qu’environ quatre pour cent de déchets radioactifs. Les 96 pour cent 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 combustibles usés 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 conteneurs en acier et évacués dans des conteneurs de transport spécifiques. Les déchets sont ensuite réacheminés en Suisse dans ces conteneurs très robustes 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 préserve non seulement les ressources en uranium, mais réduit en même temps de 80 pour cent 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 en couches géologiques profondes reste cependant nécessaire.

Un retraitement controversé

es processus complexes qui interviennent dans le cadre du retraitement 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 du passé nuisent encore à leur réputation.

S’il est renoncé au recyclage, les éléments combustibles usés sont directement déposés en couches géologiques profondes après avoir refroidi dans le dépôt intermédiaire. Cette gestion directe permet d’économiser des coûts – le retraitement est un processus compliqué et coûteux – et des transports. En revanche, les dépôts en couches géologiques profondes sont plus grands et plus chers en raison du volume supérieur de déchets.

Pendant de nombreuses années, les centrales nucléaires suisses ont recyclé leur combustible usé et sont maintenant arrivées au terme de tous les processus de retraitement, et les substances résiduelles sont réacheminées en Suisse. Le combustible MOX n’est plus utilisé. Le retraitement a été suspendu pour dix ans à la mi-2006 par un arrêté des Chambres fédérales, avant d’être interdit en 2016. Désormais, les éléments combustibles usés sont conservés dans les centrales nucléaires et dans le dépôt intermédiaire de Würenlingen.

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 la gestion 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 le dépôt en couches géologiques profondes pour tous les types de déchets radioactifs.