LE CYCLE DU COMBUSTIBLE L'uranium extrait des mines suit un cycle avant de pouvoir être utilisé dans une centrale nucléaire : c'est ce qu'on appelle le cycle du combustible. Extraction de l'uranium du minerai : L’uranium est un métal relativement répandu dans l’écorce terrestre (50 fois plus que le mercure par exemple). Comme la plupart des métaux, il ne s’extrait pas directement sous sa forme pure parce qu’à l’état naturel il se trouve, dans des roches, combiné à d’autres éléments chimiques. Les roches les plus riches en uranium sont les minerais uranifères (c’est-à-dire contenant de l’uranium), telles, par exemple, l’uraninite et la pechblende. Le cycle du combustible nucléaire commence donc par l’extraction du minerai uranifère dans des mines à ciel ouvert ou en galeries souterraines. Les principaux gisements connus se trouvent en Australie, aux États-Unis, au Canada, en Afrique du Sud et en Russie. <- Concentration et raffinage de l'uranium : La teneur du minerai en uranium est en général assez faible. En France, par exemple, chaque tonne de minerai contient de 1 à 5 kg d’uranium (soit entre 0,1 et 0,5 %). Il est donc indispensable de concentrer l’uranium de ces minerais, ce qui se fait le plus souvent sur place. Les roches sont d’abord concassées et finement broyées, puis l’uranium est extrait par diverses opérations chimiques. Le concentré fabriqué a l’aspect d’une pâte jaune appelée “yellow cake”. Il contient environ 75% d’oxyde d’uranium, soit 750 kg par tonne. Le concentré d’uranium ne peut pas être utilisé tel quel dans les réacteurs nucléaires. L’oxyde d’uranium doit d’abord être débarrassé des impuretés par différentes étapes de purification (raffinage). Très pur, il est ensuite converti en tétrafluorure d’uranium (UF 4) constitué de quatre atomes de fluor et d’un atome d’uranium. <- Enrichissement de l'uranium : Pour alimenter les REP (réacteurs à eau pressurisée, les plus répandus dans les centrales nucléaires françaises), il faut disposer d’un combustible dont la proportion d’uranium 235 se situe entre 3 et 5 %, car seul cet isotope de l’uranium peut subir la fission nucléaire libératrice d’énergie. Or, dans 100 kg d’uranium naturel, il y a 99,3 kg d’uranium 238 et 0,7 kg d’uranium 235, soit 0,7 % seulement d’uranium 235 fissile. L’opération consistant à augmenter la proportion d’uranium 235 est appelée enrichissement. L’enrichissement est une opération difficile car, comme tous les isotopes d’un même élément, l’uranium 235 et l’uranium 238 se ressemblent beaucoup et ont quasiment les mêmes propriétés chimiques. Cependant, il est possible de les différencier grâce à leur légère différence de masse. En effet, l’uranium 235 est un tout petit peu plus léger que l’uranium 238. C’est pourquoi, actuellement, l’enrichissement de l’uranium est basé sur la différence de mobilité due à cette faible différence de masse. De tous les procédés d’enrichissement étudiés jusqu’à présent, deux ont été développés à l’échelle industrielle : la diffusion gazeuse et l’ultracentrifugation. <- Préparation des assemblages de combustible : Après enrichissement, l’hexafluorure d’uranium est converti en oxyde d’uranium sous la forme d’une poudre noire. Celle-ci est comprimée puis frittée (cuite au four) pour donner des petits cylindres d’environ 1 cm de long et gros comme des petits morceaux de craie, appelés “pastilles”. Chaque pastille, qui ne pèse que 7 g, peut libérer autant d’énergie qu’une tonne de charbon (1 million de grammes). Les pastilles sont enfilées dans de longs tubes métalliques de 4 m de long en alliage de zirconium, les “gaines”, dont les extrémités sont bouchées de manière étanche pour constituer les “crayons” de combustible. Pour une centrale, plus de 40 000 crayons sont préparés pour être rassemblés en “fagots” de section carrée, appelés assemblages de combustible. Chaque assemblage contient 264 crayons. Le chargement d’un réacteur nucléaire de 900 mégawatts (millions de watts) nécessite 157 assemblages contenant en tout 11 millions de pastilles. <- Consommation de l'uranium 235 : Les assemblages de combustible, disposés selon une géométrie précise, forment le cœur du réacteur. Chacun va y séjourner pendant trois ou quatre ans. Durant cette période, la fission de l’uranium 235 va fournir la chaleur nécessaire à la production de vapeur puis d’électricité. En effet, l’uranium 235 est fissile. Cela signifie que, sous l’effet de la collision avec un neutron, son noyau se casse (fissionne) en produits de fission radioactifs tout en libérant de l’énergie. En revanche, l’uranium 238, qui représente pourtant 97 % de la masse d’uranium enrichi, ne se casse pas lors de l’absorption d’un neutron. Cependant, certains noyaux d’uranium 238 capturent un neutron et se transforment en plutonium 239, lequel est fissile comme l’uranium 235 : c’est pourquoi on dit que l’uranium 238 est fertile. Une partie du plutonium 239 peut fournir de l’énergie par fission des noyaux. Une petite partie se transforme aussi en d’autres isotopes du plutonium par capture de neutrons. <- Dégradation du combustible : Au fil du temps, le combustible va subir certaines transformations qui le rendent moins performant : • Consommation progressive d’uranium 235; • Apparition de produits de fission (absorbant les neutrons,ces produits perturbent la réaction en chaîne). Au bout d’un certain temps, le combustible doit donc être retiré du réacteur même s’il contient encore des quantités importantes de matières énergétiques récupérables, notamment l’uranium et le plutonium. Ce combustible usé est également très radioactif en raison de la présence des produits de fission. Les rayonnements émis par ces atomes radioactifs dégagent beaucoup de chaleur et, après son utilisation, le combustible usé est donc entreposé dans une piscine de refroidissement près du réacteur pendant trois ans pour laisser diminuer son activité
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