L’uranium dans tous ses états

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.

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