Recyclage des combustibles nucléaires : définir l’aval du futur

L’industrie nucléaire française dis­pose aujourd’hui d’une maîtrise unique au monde s’agissant de l’aval du cycle, c’est-à-dire la ges­tion des com­bustibles usés, avec le traite­ment-recy­clage effec­tué par Ora­no. Les pistes d’amélioration sont promet­teuses, mais ambitieuses. Des déci­sions doivent être pris­es rapidement.

Dans les com­bustibles usés, les élé­ments à vie longue, c’est-à-dire supérieure à 300 ans, sont pour l’essentiel les actinides : ura­ni­um, plu­to­ni­um et actinides mineurs (améri­ci­um, nep­tu­ni­um et curi­um essen­tielle­ment). Les deux pre­miers peu­vent génér­er de l’énergie dans les réac­teurs de généra­tion 3 (parc actuel, EPR mais aus­si SMR type Nuward, tous dits à neu­trons ther­miques) par le recyclage.

Le monorecyclage

Ain­si, les procédés de traite­ment-recy­clage mis en œuvre par Ora­no dans ses usines de La Hague (pour le traite­ment) et de Melox (pour le recy­clage) per­me­t­tent de sépar­er l’uranium et le plu­to­ni­um des autres élé­ments, afin de les réu­tilis­er dans de nou­veaux com­bustibles. Ce mono-recy­clage génère une économie des ressources en ura­ni­um naturel de l’ordre de 10 % avec le com­bustible MOX (mélange d’uranium et de plu­to­ni­um) et jusqu’à 20 % ou 25 % dans le cas d’un recy­clage de l’uranium issu du traite­ment (com­bustible, ura­ni­um de retraite­ment enrichi, URE). À l’horizon 2040, le pro­jet de mul­ti­re­cy­clage en réac­teur à eau pres­surisée (MRREP) pour­rait per­me­t­tre de pouss­er ce taux jusqu’à 30 %, mais aus­si de sta­bilis­er les inven­taires de com­bustibles usés issus du recy­clage, en recy­clant l’uranium et le plu­to­ni­um plusieurs fois de suite au sein des mêmes réac­teurs à neu­trons thermiques.

La gestion des déchets radioactifs

L’autre atout du traite­ment-recy­clage est celui d’une ges­tion opti­misée des déchets radioac­t­ifs à vie longue, dont il per­met de réduire le vol­ume d’un fac­teur 5 et la radiotox­i­c­ité d’un fac­teur 10 par rap­port au stock­age direct des com­bustibles usés, dans le cas du cycle ouvert. En effet, les procédés de traite­ment per­me­t­tent de con­di­tion­ner les déchets à vie longue en deux caté­gories de con­teneurs : les col­is vit­ri­fiés (CSD‑V), con­teneurs de haute activ­ité à vie longue incor­po­rant les pro­duits de fis­sion et les actinides mineurs ; et les col­is com­pactés (CSD‑C), con­teneurs de moyenne activ­ité à vie longue récupérant les élé­ments de struc­ture des assem­blages de com­bustible, en par­ti­c­uli­er les gaines en alliage de zir­co­ni­um. Le pro­jet français de stock­age en couche géologique pro­fonde Cigéo est conçu pour accueil­lir ces col­is et en assur­er le con­fine­ment, afin qu’ils ne présen­tent durable­ment aucun dan­ger pour l’homme et la biosphère.

Le multirecyclage en REP (MRREP)

Pour fonc­tion­ner, un réac­teur nucléaire a besoin d’une pro­por­tion suff­isam­ment élevée d’isotopes fis­siles dans son com­bustible. Dans la tech­nolo­gie de réac­teurs à eau pres­surisée (REP), il s’agit essen­tielle­ment de l’uranium 235, obtenu à par­tir de l’uranium naturel enrichi (UNE). En l’absence de recy­clage du com­bustible usé, on par­le de cycle ouvert. Le com­bustible UNE usé con­tient du plu­to­ni­um, qui peut être recy­clé en réac­teur, comme le fait la France avec ses usines de
La Hague et de Melox et la tech­nolo­gie du MOX, un com­bustible à base de plu­to­ni­um et d’uranium appau­vri : on par­le alors de monore­cy­clage, le plu­to­ni­um étant actuelle­ment réu­til­isé une seule fois. Il n’est pas pos­si­ble, en l’état actuel des tech­nolo­gies, de met­tre en œuvre un mul­ti­re­cy­clage à l’échelle indus­trielle du parc nucléaire français, car la qual­ité fis­sile du plu­to­ni­um se dégrade au fur
et à mesure des cycles, alors que sa pro­por­tion en iso­topes pairs aug­mente. Ain­si, les com­bustibles MOX usés français sont aujourd’hui entreposés
de manière sûre en attente de la mise en œuvre d’une solu­tion future. 

La stratégie envis­agée à long terme par la France est celle du mul­ti­re­cy­clage, met­tant en œuvre des réac­teurs à neu­trons rapi­des (RNR) qui autorisent un cycle con­tinu du plu­to­ni­um. L’utilisation de tels réac­teurs per­met d’envisager des scé­nar­ios ne néces­si­tant plus aucune con­som­ma­tion d’uranium naturel extrait des mines. Aujourd’hui cepen­dant et mal­gré les ten­sions récentes sur les prix de l’uranium, les ressources en ura­ni­um sont abon­dantes et disponibles à un prix encore accept­able, repous­sant l’intérêt économique du déploiement des RNR à un hori­zon plus loin­tain. Il con­vient cepen­dant de pré­cis­er que, en fonc­tion de l’évolution de la crise énergé­tique et géopoli­tique actuelle, ces con­sid­éra­tions pour­raient devoir être revues, et le cal­en­dri­er d’un éventuel mul­ti­re­cy­clage en RNR poten­tielle­ment accéléré. 

Le mul­ti­re­cy­clage en REP (MRREP) con­siste à dévelop­per les solu­tions tech­nologiques per­me­t­tant un mul­ti­re­cy­clage des com­bustibles usés, sans déploiement de RNR. Cela sup­pose de com­penser, dans le futur com­bustible MOX2, la dégra­da­tion de la qual­ité fis­sile du plu­to­ni­um par l’ajout d’uranium enrichi. Divers aspects tech­nologiques doivent être étudiés : con­cepts de com­bustible, adéqua­tion avec les réac­teurs, usines néces­saires pour traiter et recy­cler ces com­bustibles, inté­gra­tion de tels com­bustibles dans le sys­tème indus­triel d’ensemble. L’industrie nucléaire française a lancé dès 2016 les pre­mières études sur le MRREP et s’est ensuite organ­isée en « quadri­par­tite » (CEA, Ora­no, EDF, Fram­atome) pour pilot­er et financer ce pro­gramme de R & D. Le pro­gramme porte l’ambition d’un assem­blage test en réac­teur à l’horizon 2025–2028, puis d’un déploiement indus­triel à l’horizon 2040–2050, cohérent avec l’horizon des futures évo­lu­tions des usines de l’aval du cycle. 

Réduire les déchets à vie longue

L’âge des usines actuelles de La Hague et de Melox, entrées en fonc­tion respec­tive­ment au début et à la fin des années 1990, pose la ques­tion de la péren­nité des capac­ités indus­trielles de traite­ment-recy­clage au-delà du jalon admin­is­tratif et com­mer­cial des usines pour l’instant fixé à 2040. De plus, la généra­tion de déchets à vie longue ressort comme l’un des deux prin­ci­paux axes, avec la sûreté et la préven­tion des acci­dents, sur lequel le pub­lic demande à notre indus­trie de pro­gress­er ; aus­si les con­cepts de l’aval du futur doivent-ils s’attacher à pro­pos­er des solu­tions visant à réduire les déchets à vie longue. Ora­no tra­vaille, avec la fil­ière, sur plusieurs briques tech­nologiques qui per­me­t­traient de trans­former un néces­saire renou­velle­ment de l’outil indus­triel afin d’en amélior­er rad­i­cale­ment les per­for­mances à plusieurs points de vue.

De nouvelles technologies pour le traitement

La pour­suite du monore­cy­clage per­met déjà d’introduire de nou­velles tech­nolo­gies dans le traite­ment, de manière à amélior­er la per­for­mance et l’économie glob­ale des instal­la­tions (déploiement des tech­nolo­gies de l’usine 4.0 en cours de mise en œuvre dans les usines actuelles, opti­mi­sa­tion de la radio­pro­tec­tion, opti­mi­sa­tion des opéra­tions de purifi­ca­tion de l’uranium et du plu­to­ni­um). La mise en œuvre indus­trielle du MRREP deman­dera quant à elle le déploiement de nou­velles tech­nolo­gies. Enfin, des tech­nolo­gies en rup­ture sont étudiées, notam­ment pour élargir la gamme de com­bustibles admis­si­bles, afin par exem­ple d’être en mesure de pro­pos­er le traite­ment de com­bustibles de cer­tains con­cepts de réac­teurs étrangers actuels, dont les réac­teurs inno­vants. Par­al­lèle­ment, divers mod­èles sont étudiés pour génér­er davan­tage de valeur à par­tir des usines de traite­ment, par exem­ple en val­orisant cer­taines matières aujourd’hui sans usage et par con­séquent con­sid­érées comme des déchets (plati­noïdes par exemple).

De nouvelles technologies pour le recyclage

Les défis de niveau de pro­duc­tion ren­con­trés par l’usine de Melox qui fait face à son vieil­lisse­ment illus­trent la néces­sité de con­tin­uer à pro­gress­er sur les procédés actuels. En par­ti­c­uli­er, de nou­velles tech­nolo­gies pour maîtris­er dans la durée les débits de dose radioac­tive, inté­grant le retour d’expérience con­séquent de Melox, devront être mis­es en œuvre. La maîtrise indus­trielle de la fab­ri­ca­tion du futur com­bustible MOX2 présente des défis com­plé­men­taires en ter­mes de qual­ité et de com­péti­tiv­ité, qui devront être relevés pour le déploiement du MRREP. La fil­ière étudie ain­si des évo­lu­tions tech­nologiques ou de nou­velles tech­nolo­gies sur les procédés de fab­ri­ca­tion, tant pour la pré­pa­ra­tion des milieux gran­u­laires que pour la mise en forme des pastilles ou de nou­veaux procédés de frit­tage et de rec­ti­fi­ca­tion des pastilles.

La décontamination des coques

Les con­teneurs stan­dards de déchets com­pactés (CSD‑C, con­tenant les matéri­aux métalliques de struc­ture des assem­blages de com­bustible) entrent dans la caté­gorie des déchets de moyenne activ­ité à vie longue, en rai­son non seule­ment de la présence de traces de matière issue du com­bustible (ura­ni­um, plu­to­ni­um, actinides mineurs et pro­duits de fis­sion), mais aus­si de celle de pro­duits d’activation de l’alliage de zirconium.

“Contribuer à améliorer l’acceptabilité publique du nucléaire.”

Ora­no tra­vaille, en parte­nar­i­at avec le CEA et Fram­atome, sur plusieurs tech­nolo­gies en rup­ture visant à élim­in­er l’activité con­tenue dans les gaines com­bustibles con­sti­tuées d’alliage de zir­co­ni­um. Ce dernier pour­rait alors soit être réu­til­isé pour la fab­ri­ca­tion de nou­veaux com­bustibles nucléaires, aug­men­tant la cir­cu­lar­ité de l’industrie, soit stocké en sur­face ou en sub­sur­face. Surtout, le vol­ume des déchets des­tinés au stock­age pro­fond pour­rait être réduit de l’ordre d’un fac­teur 10 par rap­port aux col­is CSD‑C actuels, ce qui pour­ra forte­ment con­tribuer à amélior­er l’acceptabilité publique du nucléaire.

La conversion des actinides

Les actinides mineurs peu­vent être con­ver­tis, c’est-à-dire trans­for­més par fis­sion en élé­ments à vie courte (moins de 300 ans), dans des réac­teurs à neu­trons rapi­des. Le sujet est instru­it depuis longtemps (expéri­ences menées dans les réac­teurs Phénix du CEA et Super­phénix d’EDF). Il a égale­ment été dis­cuté dans les débats par­lemen­taires autour de la trans­mu­ta­tion dans le cadre des lois Bataille de 1991 et de Trans­parence et Sécu­rité en matière nucléaire de 2006. Aujourd’hui, l’étude de nou­veaux con­cepts de petits réac­teurs, comme ceux fondés sur la tech­nolo­gie du réac­teur à sels fon­dus, est par­ti­c­ulière­ment promet­teuse. Ce dernier est par­ti­c­ulière­ment adap­té à l’objectif de con­ver­sion, en ce qu’il peut fonc­tion­ner sans ura­ni­um et ain­si con­som­mer une quan­tité impor­tante d’actinides mineurs sans en génér­er en retour.

De tels réac­teurs ne se sub­stitueraient pas au parc de réac­teurs de puis­sance d’EDF (type EPR2) mais inter­viendraient en com­plé­ment. Si de nom­breux ver­rous tech­nologiques doivent être lev­és, ce con­cept présente des avan­tages de sûreté et d’intégration avec les tech­nolo­gies de traite­ment-recy­clage déployées par Ora­no. En parte­nar­i­at avec le CEA et le CNRS, ain­si qu’EDF et Fram­atome, Ora­no a ain­si entamé des travaux sur ces réac­teurs à sels fon­dus, qui pour­raient per­me­t­tre de réduire très forte­ment les élé­ments à vie longue con­tenus dans les col­is CSD‑V. Le vol­ume des déchets à vie longue pour­rait alors être réduit de l’ordre d’un fac­teur 7 par rap­port au cycle ouvert et leur emprise au stock­age jusqu’à un fac­teur de l’ordre de 10, économisant ain­si la ressource rare que con­stitue le stock­age géologique. De plus, la durée de vie des déchets serait dras­tique­ment réduite, l’ensemble con­tribuant forte­ment à amélior­er l’acceptabilité publique du nucléaire.

Des défis technologiques

Par­venir à la matu­rité indus­trielle sur ces briques tech­nologiques, pour la plu­part en rup­ture, représente cepen­dant un défi majeur. Surtout, leur mise en cohérence avec la chronolo­gie du renou­velle­ment des instal­la­tions de traite­ment-recy­clage d’Orano sup­pose de réalis­er un effort par­ti­c­ulière­ment impor­tant de recherche et développe­ment. Celui-ci doit être coor­don­né au niveau de la fil­ière, afin de garan­tir la cohérence des pistes explorées entre elles et avec le pro­gramme indus­triel de renou­velle­ment des instal­la­tions. Il doit aus­si faire l’objet d’un accom­pa­g­ne­ment con­séquent de la part de l’État, avec l’objectif d’aboutir à des solu­tions indus­trielles déploy­ables au-delà de l’horizon de la décen­nie 2040. Dans l’intermédiaire, le renou­velle­ment néces­saire de cer­tains des ate­liers des instal­la­tions de traite­ment-recy­clage peut s’inscrire dans un sché­ma indus­triel cohérent avec le temps de développe­ment des nou­velles technologies.

Des décisions à prendre rapidement

L’orientation récente de l’État en faveur d’un renou­velle­ment du parc nucléaire français, avec l’annonce de la con­struc­tion d’au moins six EPR2 par le Prési­dent de la République le 10 févri­er 2022 à Belfort, est un sig­nal fort pour la fil­ière. Cepen­dant, la péren­ni­sa­tion des capac­ités indus­trielles du traite­ment-recy­clage néces­sit­era une stratégie à très long terme, assur­ant une vision d’ensemble cohérente de tous les enjeux de la fil­ière nucléaire française. En effet cette péren­ni­sa­tion sup­posera de men­er con­join­te­ment un pro­gramme de pro­lon­ga­tion de l’exploitation des usines actuelles au-delà de 2040, sim­i­laire dans l’idée au grand caré­nage d’EDF, un pro­gramme de con­cep­tion des futures usines de traite­ment-recy­clage pour l’horizon 2050–2060 et un vaste pro­gramme de R & D, afin d’amener à une matu­rité suff­isante les tech­nolo­gies à embar­quer dans ces futures usines. Le temps néces­saire à la mise en œuvre de cha­cune de ces étapes impose que des déci­sions soient pris­es par l’État avant la fin de ce quin­quen­nat, afin de déter­min­er la stratégie d’ensemble et lancer les travaux afférents. 

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