L’uranium dans tous ses états

Une demande éner­gé­tique crois­sante, des inquié­tudes sur la sécu­ri­té d’ap­pro­vi­sion­ne­ment, moins de res­sources natu­relles, trop d’é­mis­sions de gaz à effet de serre : le futur éner­gé­tique de la pla­nète est simple à énon­cer… et dif­fi­cile à résoudre ! La relance des pro­grammes nucléaires dans dif­fé­rents pays est un élé­ment de réponse. Cette éner­gie per­met de pro­duire beau­coup d’élec­tri­ci­té, de réduire la dépen­dance au gaz natu­rel impor­té ain­si que les émis­sions de CO₂. Depuis la mine jus­qu’à la ges­tion des déchets ultimes, le com­bus­tible nucléaire suit de nom­breuses étapes industrielles…

Nombre de pays ont rete­nu la tech­no­lo­gie nucléaire comme étant l’une des solu­tions de leur ave­nir éner­gé­tique. La lutte contre le chan­ge­ment cli­ma­tique, l’in­dé­pen­dance éner­gé­tique et la fin de » l’éner­gie facile » en sont les prin­ci­pales rai­sons. En effet, l’é­pui­se­ment des hydro­car­bures et le ren­ché­ris­se­ment constant de leur prix, même si, après avoir flir­té avec les 150 dol­lars au mois de juillet, le prix du baril est retom­bé à envi­ron 60 dol­lars, il coûte encore 50 % de plus qu’il y a un an en moyenne annuelle, et cinq fois plus qu’il y a huit ans…, néces­sitent de gar­der ouvertes toutes les options éner­gé­tiques et, bien enten­du, d’ac­croître l’ef­fi­ca­ci­té éner­gé­tique. Les seuls moyens de pro­duire plus d’éner­gie sans aug­men­ter les émis­sions de CO₂ sont de déve­lop­per la filière nucléaire et les éner­gies renouvelables.

Repères
Les res­sources sont essen­tiel­le­ment de deux ordres. Pre­miè­re­ment, les res­sources iden­ti­fiées, regrou­pe­ment de » res­sources rai­son­na­ble­ment assu­rées » et de res­sources » infé­rées « , autre­ment dit les gise­ments décou­verts, étu­diés et cor­rec­te­ment éva­lués étaient esti­més au 1er jan­vier 2005 à envi­ron 15 mil­lions de tonnes, soit plus de deux cents ans de réserve au rythme de consom­ma­tion actuel. Deuxiè­me­ment, l’OCDE et l’AIEA dis­tinguent éga­le­ment les res­sources conven­tion­nelles non encore décou­vertes (« pro­nos­ti­quées » et » spé­cu­la­tives ») qui seraient de 10 mil­lions de tonnes.

La filière nucléaire est struc­tu­rée par les dif­fé­rentes étapes du cycle du com­bus­tible. Le com­bus­tible nucléaire n’est pas direc­te­ment consti­tué du mine­rai d’u­ra­nium à l’é­tat natu­rel. De même qu’on ne met pas direc­te­ment dans le réser­voir de sa voi­ture le pétrole brut jailli du puits, ce n’est pas direc­te­ment le mine­rai d’u­ra­nium qui consti­tue le com­bus­tible nucléaire : pour que les noyaux lourds puissent four­nir de la cha­leur utile par fis­sion, ils doivent suivre un cycle qui com­bine de nom­breuses étapes industrielles.

De l’extraction à la conversion de l’uranium

Plus de 400 réac­teurs en service
Fin 2006, 438 réac­teurs étaient en ser­vice dans 31 pays, repré­sen­tant envi­ron 371 GW de puis­sance ins­tal­lée. À cette même date, 29 réac­teurs étaient en construc­tion et 62 en com­mande ou en pro­jet. Dans le monde, les réac­teurs à eau légère dominent le mar­ché. Les deux grands types de réac­teurs à eau légère sont les réac­teurs à eau bouillante (REB) et les réac­teurs à eau sous pres­sion (REP). Dans les REP, l’eau d’un cir­cuit pri­maire, en contact avec les gaines du com­bus­tible, est main­te­nue sous forte pres­sion pour évi­ter l’é­bul­li­tion. La cha­leur récu­pé­rée est trans­fé­rée à un cir­cuit d’eau secon­daire qui pro­duit de la vapeur. Celle-ci fait tour­ner une tur­bine qui entraîne l’al­ter­na­teur pro­dui­sant de l’élec­tri­ci­té. L’eau du cir­cuit secon­daire est conden­sée, refroi­die et recyclée

L’u­ra­nium est extrait de mines à ciel ouvert ou de gale­ries sou­ter­raines. Géné­ra­le­ment, les roches extraites contiennent peu de mine­rais. La concen­tra­tion en ura­nium natu­rel est de l’ordre de 0,2 % à 2 %, et de 14 % dans quelques mines excep­tion­nelles au Cana­da. Des opé­ra­tions de concen­tra­tion sont alors effec­tuées sur l’u­ra­nium natu­rel qui est trans­for­mé en oxyde d’u­ra­nium (U308). Le mine­rai est broyé puis dis­sous dans l’a­cide sul­fu­rique pour obte­nir une poudre jaune, appe­lée yel­low cake (ou ura­nium concen­tré), qui contient en moyenne 80 % d’u­ra­nium. Au stade de yel­low cake, l’u­ra­nium est encore loin de pou­voir être uti­li­sé dans un réac­teur nucléaire. Il doit donc être puri­fié lors d’o­pé­ra­tions de conver­sion de l’u­ra­nium en hexa­fluo­rure d’u­ra­nium (UF6).

Peu connue du grand public, la conver­sion de l’u­ra­nium en hexa­fluo­rure est une étape clé dans le cycle de pro­duc­tion nucléaire entre l’ac­ti­vi­té minière et l’enrichissement.

L’enrichissement de l’uranium et la fabrication du combustible

L’u­ra­nium est l’élé­ment chi­mique natu­rel le plus lourd de la terre, avec 92 pro­tons dans son noyau. L’u­ra­nium natu­rel est un mélange de deux iso­topes : l’U238 et l’U235 dans des pro­por­tions res­pec­tives de 99,3 % et 0,7 %. Seul l’u­ra­nium 235 subit aisé­ment le phé­no­mène de la fis­sion à l’o­ri­gine de la pro­duc­tion d’éner­gie dans le coeur du réac­teur nucléaire. Pour fonc­tion­ner, les réac­teurs à eau (tech­no­lo­gie employée pour 85 % des réac­teurs dans le monde) requièrent un ura­nium plus riche en U235. L’en­ri­chis­se­ment consiste donc à aug­men­ter la pro­por­tion d’U235 jus­qu’à une valeur com­prise entre 3 et 5 %. Un réac­teur à eau sous pres­sion de 900 MWe consomme envi­ron 27 tonnes d’u­ra­nium enri­chi par an, un ton­nage extrait de 150 tonnes d’u­ra­nium natu­rel. Pour assu­rer la pro­duc­tion élec­tro­nu­cléaire fran­çaise, envi­ron 1 200 tonnes de com­bus­tibles neufs sont char­gées annuel­le­ment dans les 58 réac­teurs, néces­si­tant l’ex­trac­tion d’en­vi­ron 8 200 tonnes d’u­ra­nium naturel.

L’u­ra­nium concen­tré doit encore être purifié

Deux tech­niques d’en­ri­chis­se­ment sont uti­li­sées dans le monde : la dif­fu­sion gazeuse et l’ul­tra­cen­tri­fu­ga­tion. En France, depuis 1978, on uti­lise la tech­no­lo­gie de la dif­fu­sion gazeuse, mais ce pro­cé­dé est péna­li­sé par sa forte consom­ma­tion en élec­tri­ci­té. Are­va a déci­dé de se doter de la tech­no­lo­gie de l’ul­tra­cen­tri­fu­ga­tion qui consomme envi­ron 50 fois moins d’élec­tri­ci­té. La pre­mière pro­duc­tion est atten­due au deuxième semestre 2009 dans l’u­sine Georges Besse II.

L’u­ra­nium, qui a été enri­chi sous forme gazeuse (UF6), est trans­for­mé sous forme solide (U02) en pas­tilles qui sont intro­duites dans de longs tubes métal­liques pour for­mer des crayons, les­quels sont à leur tour réunis et main­te­nus à l’aide de grilles pour for­mer un assem­blage. Ces assem­blages sont pla­cés à l’in­té­rieur de la cuve du réac­teur, côte à côte, selon une dis­po­si­tion géné­ra­le­ment cylin­drique. Ils forment ain­si le cœur du réac­teur. En moyenne, il faut comp­ter envi­ron deux ans entre l’ex­trac­tion du mine­rai et l’in­tro­duc­tion du com­bus­tible dans le cœur du réacteur.

Un combustible recyclable

Dans un réac­teur, les assem­blages de com­bus­tibles libèrent de l’éner­gie grâce à la fis­sion des noyaux d’a­tomes. Au cours du temps, la pro­por­tion d’a­tomes fis­siles s’a­me­nuise alors que la quan­ti­té de pro­duits de fis­sion aug­mente. Le com­bus­tible devient de moins en moins réac­tif et finit par ne plus pro­duire d’éner­gie : quand il est usé, il doit être rem­pla­cé par un nou­veau combustible.

Le com­bus­tible MOX
Dans un réac­teur ali­men­té en ura­nium fai­ble­ment enri­chi, le plu­to­nium est créé par le phé­no­mène de fis­sion. Res­pon­sable de l’es­sen­tiel de la toxi­ci­té du com­bus­tible usé, le plu­to­nium contient beau­coup d’éner­gie poten­tielle. Le com­bus­tible MOX (Mixed Oxyde fuel) est un mélange d’en­vi­ron 93 % de poudre d’u­ra­nium appau­vri et de 7 % de poudre d’oxyde de plu­to­nium. En France, 20 réac­teurs de 900 MW sur les 28 exploi­tés de cette puis­sance fonc­tionnent avec un coeur char­gé à 30 % de com­bus­tible MOX. Il existe deux usines de fabri­ca­tion dans le monde : l’u­sine MELOX d’A­re­va à Mar­coule et celle de Sel­la­field en Grande-Bre­tagne exploi­tée par BNFL-BNG. Au Japon, la construc­tion d’une usine est en pro­jet à Rokkasho-Mura.

À la sor­tie du réac­teur, le com­bus­tible usé demeure très irra­diant et dégage de la cha­leur (sa tem­pé­ra­ture dépasse 100 °C). Le com­bus­tible usé doit alors être entre­po­sé envi­ron deux ans dans la pis­cine du réac­teur pour que sa tem­pé­ra­ture et sa radio­ac­ti­vi­té décroissent. La pre­mière étape du recy­clage du com­bus­tible usé consiste à sépa­rer les matières valo­ri­sables (ura­nium et plu­to­nium) des déchets ultimes qui seront condi­tion­nés. On récu­père ain­si 96 % d’u­ra­nium, 1 % de plu­to­nium, le reste étant consti­tué de pro­duits de fis­sion et des acti­nides mineurs (ces deux der­nières caté­go­ries consti­tuant les déchets ultimes qui seront vitrifiés).

Une par­tie de l’u­ra­nium récu­pé­ré est recy­clée sous forme de com­bus­tible URT (Ura­nium de retrai­te­ment), le reste est entre­po­sé. Le plu­to­nium per­met de fabri­quer un autre type de com­bus­tible : le MOX, mélange d’oxydes d’u­ra­nium et de plutonium.

Le recy­clage per­met de réduire le volume et la radio­toxi­ci­té des déchets et accroît l’in­dé­pen­dance éner­gé­tique des pays qui y ont recours en valo­ri­sant le poten­tiel éner­gé­tique des matières (ura­nium et plu­to­nium) et en évi­tant en par­tie d’u­ti­li­ser de nou­velles res­sources d’u­ra­nium. Le mar­ché de l’u­ra­nium a connu des ten­sions crois­santes avec une offre pro­gres­sant moins vite que la demande. Le sur­en­ché­ris­se­ment du prix de l’u­ra­nium a conduit cer­tains grands pays à s’en­ga­ger ou, tout au moins, à réflé­chir aux pos­si­bi­li­tés de trai­ter et de recy­cler le combustible.

Que faire des déchets ?

Deux stra­té­gies s’op­posent sur le deve­nir des com­bus­tibles usés : les consi­dé­rer comme des déchets ultimes, en ce cas, on parle de ges­tion à cycle ouvert (c’est l’op­tion choi­sie, par exemple, par la Suède, la Fin­lande, l’Es­pagne et le Cana­da) ; ou les recy­cler pour en récu­pé­rer les matières valo­ri­sables (96 % des com­bus­tibles usés), il s’a­git alors de cycle fer­mé. La France et d’autres pays, comme le Japon, le Royaume-Uni, la Rus­sie, recyclent leurs com­bus­tibles usés. Les États-Unis, qui y avaient renon­cé il y a vingt-cinq ans, s’y inté­ressent à nouveau.

Valo­ri­ser davan­tage les réserves
Afin de remé­dier à la faible valo­ri­sa­tion de l’u­ra­nium natu­rel par les réac­teurs à eau légère, une pre­mière amé­lio­ra­tion consiste à aug­men­ter la tem­pé­ra­ture de com­bus­tion des com­bus­tibles ( burn up ), ce qui conduit à les lais­ser plus long­temps dans le réac­teur. Le trai­te­ment, en per­met­tant de recy­cler le plu­to­nium sous forme de com­bus­tible MOX, apporte une deuxième réponse. L’u­ti­li­sa­tion opti­male de l’u­ra­nium natu­rel passe cepen­dant par la mise en oeuvre de réac­teurs à neu­trons rapides. Ceux-ci se carac­té­risent en effet par un meilleur taux de conver­sion de l’u­ra­nium 238 fer­tile en plu­to­nium 239 fis­sile, au point de per­mettre de consom­mer l’u­ra­nium 238 en presque tota­li­té. De ce fait, les réserves d’u­ra­nium seraient mul­ti­pliées par un fac­teur variant de 50 à 80 selon les cas.

En France, des solu­tions défi­ni­tives sont déjà opé­ra­tion­nelles pour les déchets radio­ac­tifs de très faible acti­vi­té et de faible ou moyenne acti­vi­té à vie courte, qui repré­sentent 90 % du volume total des déchets radio­ac­tifs pro­duits. Ils sont sto­ckés en sur­face dans deux centres situés dans l’Aube (Cham­pagne-Ardenne) et dans la Manche. Entre l’é­tape d’ex­trac­tion du mine­rai d’u­ra­nium et le sto­ckage des déchets radio­ac­tifs, plu­sieurs décen­nies s’é­coulent. Aujourd’­hui, en France, le débat porte essen­tiel­le­ment sur la ges­tion à long terme des déchets à vie longue, hau­te­ment radio­ac­tifs et non recy­clables. Ils sont consti­tués des gaines entou­rant le com­bus­tible, des com­bus­tibles usés quand ils ne sont pas retrai­tés et des pro­duits de fis­sion. La loi du 28 juin 2006 pré­cise que les trois voies de recherche pré­vues par la loi » Bataille » de 1991 sont com­plé­men­taires, mais indique que le sto­ckage réver­sible en for­ma­tion géo­lo­gique pro­fonde est la solu­tion de réfé­rence. Il est pré­vu qu’une nou­velle loi soit votée au plus tard en 2015 pour défi­nir les condi­tions de la réversibilité.

Tout en pri­vi­lé­giant le sto­ckage géo­lo­gique pro­fond, la loi de 2006 pré­voit d’exa­mi­ner de manière plus appro­fon­die les deux autres voies pos­sibles : l’en­tre­po­sage des déchets en sur­face et sub­sur­face, et la dimi­nu­tion de leur radio­ac­ti­vi­té par la séparation-transmutation.

L’uranium, une ressource sûre et plutôt bon marché

La sépa­ra­tion-trans­mu­ta­tion
Le but de la sépa­ra­tion est de récu­pé­rer, d’une part, les acti­nides mineurs (les acti­nides sont des élé­ments radio­ac­tifs qui tirent leur nom d’un métal lourd, l’ac­ti­nium, car ils pos­sèdent des pro­prié­tés chi­miques voi­sines), et, d’autre part, les pro­duits de fis­sion. La trans­mu­ta­tion consiste en un bom­bar­de­ment neu­tro­nique des noyaux lourds d’ac­ti­nides mineurs, qui fis­sionnent en des noyaux plus légers.

À l’in­verse de la répar­ti­tion inégale des res­sources en hydro­car­bures (70 % des réserves de pétrole et 40 % de celles de gaz se trouvent au Moyen-Orient), la répar­ti­tion rela­ti­ve­ment équi­li­brée des réserves d’u­ra­nium dans le monde per­met aux exploi­tants de cen­trales nucléaires d’être peu expo­sés aux risques géo­po­li­tiques. Les pays indus­tria­li­sés de l’OCDE, qui sont les prin­ci­paux uti­li­sa­teurs de l’éner­gie nucléaire, pos­sèdent envi­ron 40 % des réserves mon­diales d’u­ra­nium. L’Aus­tra­lie vient en tête (avec 23 % des réserves totales mon­diales), sui­vie du Kaza­khs­tan (18,5 %), du Cana­da (9,5 %), de l’A­frique du Sud (8,6 %), des États-Unis (7,5 %), de la Rus­sie (5,8 %), de la Nami­bie (5,6 %) et du Niger (5 %).

Par ailleurs, les coûts de pro­duc­tion de l’éner­gie nucléaire s’a­vèrent moins capri­cieux que ceux des hydro­car­bures, car le com­bus­tible ne repré­sente qu’une faible part de l’in­ves­tis­se­ment. En effet, le prix du com­bus­tible inter­vient fai­ble­ment dans l’é­qua­tion éco­no­mique : de l’ordre de 5 % au lieu de 70 % pour le gaz et 55 % pour le char­bon, selon l’u­ni­ver­si­té de tech­no­lo­gie de Lap­peen­ran­ta (Fin­lande). Le modèle éco­no­mique du nucléaire repose sur des cycles longs, pou­vant atteindre la durée de vie d’une cen­trale (envi­ron soixante ans). Il en résulte une grande pré­vi­si­bi­li­té des coûts, contrai­re­ment aux éner­gies fos­siles très expo­sées aux fluc­tua­tions de cours. Ain­si que l’af­fir­maient les dépu­tés Chris­tian Bataille et Claude Bir­raux dans le cadre de l’Of­fice par­le­men­taire d’é­va­lua­tion des choix scien­ti­fiques et tech­no­lo­giques¹ : » Le nucléaire est la filière la plus com­pé­ti­tive pour la pro­duc­tion d’élec­tri­ci­té. »

1. « Les nou­velles tech­no­lo­gies de l’énergie », rap­port de MM. Chris­tian Bataille et Claude Bir­raux, dépu­tés. Assem­blée nationale-Sénat.

Are­va, acteur majeur du cycle de l’uranium Are­va, lea­der mon­dial du nucléaire, est le seul acteur de ce sec­teur à pro­po­ser une offre inté­grée cou­vrant l’en­semble du cycle de l’éner­gie nucléaire civile : L’usine de la Hague assume le recy­clage du conbus­tible nucléaire usé. • pro­duc­tion d’u­ra­nium : 13 % de part de mar­ché et 20 % des ventes. En 2007, le car­net de com­mandes du groupe a bon­di de 33 % à 88 000 tonnes d’u­ra­nium. 60 % de ce volume seront livrés après 2012. Pour garan­tir l’ap­pro­vi­sion­ne­ment de ses clients, Are­va s’est lan­cé dans une poli­tique dyna­mique d’ac­cès à de nou­velles res­sources (Ura­Min, Imouraren…) ; • conver­sion de mine­rai en hexa­fluo­rure d’u­ra­nium : lea­der mon­dial sur ce sec­teur avec 26 % de part de mar­ché, Are­va a pris la déci­sion en 2007 d’in­ves­tir dans le renou­vel­le­ment com­plet de son outil de pro­duc­tion et inves­tit 450 mil­lions d’eu­ros afin de construire l’u­sine Comu­rhex II sur les sites de Mal­vé­si (Aude)et du Tri­cas­tin (Drôme). Le chan­tier a débu­té à l’é­té 2007 et la pro­duc­tion indus­trielle est pré­vue en 2012 ; • recy­clage du com­bus­tible nucléaire usé : en 2007, Are­va a assu­ré 90 % de la pro­duc­tion mon­diale. L’exemple fran­çais, déjà trans­po­sé au Japon qui, depuis 2005, dis­pose d’une usine presque iden­tique à celle de La Hague, va être repro­duit dans les années à venir. Les États-Unis et la Chine ont à leur tour lan­cé en 2007 des pro­jets de construc­tion d’une usine de recy­clage sur leur territoire.

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