LE COMBUSTIBLE NUCLEAIRE
Présentation
Une réaction nucléaire peut être obtenue à partir de plusieurs combustibles. A première vue, c'est la variété de ces combustibles qui permet de différencier et de classer les centrales selon leur mode de fonctionnement .
Le combustible a pour rôle très simple de founir de l’énergie après réaction dans le cœur d'un réacteur nucléaire, il représente la matière fissile.
Tout au long de notre travail, nous nous référerons à un réacteur d'une puissance de 900 MWe qui est le type de réacteur présentdans la centrale de Fessenheim. Mais c'est aussi le type le plus répandu en France, comme nous le montrent les statistiques que nous avons réalisées ci-dessous.
Nous avons repertorié les différents réacteurs existant en France, puis nous avons calculé leur pourcentage.
La centrale nucléaire de Fessenheim, qui nous servira d'exemple pour notre étude, dispose de deux réacteurs de 900 MWe (880 pour être précis).
Le combustible se présente sous une apparence spécifique : il est conditionné sous forme de pastilles qui, pour l'uranium, pèsent de 7 à 10g (8.3 g environ pour Fessenheim) et mesurent un peu moins de 1 cm de hauteur.
Les réacteurs de Fessenheim comportent chacun 157 groupes de combustible que l'on appelle "assemblage". Ces groupes restent, en moyenne, entre trois et cinq ans dans un réacteur.
Un assemblage possède une gaine étanche en zirconium ; il s'agit de la première barrière de sécurité dans une centrale nucléaire. Cette étanchéité est possible grace au zirconium pouvant résister à des températures très élevées avant de se liquéfier. L'assembage est constitué d'un "squelette", cadre métallique qui maintient les grappes de commande (nous en parlerons plus tard) et les crayons de combustible pouvant contenir de 200 à 500 kg de matière fissile, en fonction du type d'assemblage.
Il y a 264 crayons par assemblage dans un réacteur de Fessenheim. Pour un réacteur de 900MWe, chacun contient 265 pastilles de combustible.
Pastilles d'uranium
Assemblage contenant des crayons
Les différents combustibles
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L'uranium dioxyde (UOX) est le combustible le plus utilisé dans les réacteurs nucléaires.
Il est fabriqué a partir de l'uranium naturel, directement issu de l'extraction minière, puis converti et, enfin, enrichi. Lors de la réaction nucléaire, du plutonium se développe dans le cœur du réacteur. Le combustible usé UOX produit à la fin de son utilisation 30 à 40% de son énergie grâce a la fission du plutonium et en contient encore environ 1%.
L'uranium est le combustible le plus répendu.
Extrait de l'écorce terrestre, il est 25 fois plus abondant que le mercure et 500 fois plus abondant que l’or. Dans les roches, il se combine à d’autres éléments chimiques pour former deux minerais uranifères : la penchblende U3O8 et l’uranite UO2.
La teneur en uranium étant faible, on le concentre sur le lieu d’extraction. Les roches sont donc broyées, concassées en poudre fine, puis dissoute dans une solution d’acide sulfurique chaud. La solution liquide est ensuite précipitée, filtrée, lavée et séchée. On obtient donc une pâte jaune contenant approximativement 75% d’oxyde d’uranium (U3O8) appelé « yellow cake ». Mais ce concentré n’est pas utilisable comme tel dans un réacteur nucléaire, il faut auparavant enlever ses impuretés puis le convertir en hexafluore (cela deviendra de l'hexafluorure d'uranium, notée UF6) pour facilité l’étape dite "d’enrichissement" par la suite.
Yellow cake
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Autre combustible fissible, le plutonium, il n’existe dans la nature qu'en infime quantité. Seulement 4 à 30 kg de plutonium seraient produits chaque année. Cependant, on le retrouve également en tant que produit dans les réacteurs nucléaires comme "déchet" de la fission. Le plutonium est un combustible extrêmement dangereux et radioactif. En effet, il émet des radiations très puissantes et est explosif. Restant tout de meme un combustible fissible, c'est à dire, sensible à la fission, le plutonium est utilisé dans certains centres nucléaires.
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Enfin, le thorium, élément naturel non fissible, peut se transformer dans le coeur d’un réacteur en uranium 233 fissible par capture d’un neutron. Certains pays, comme l’Inde, réfléchissent à l’utiliser puisqu'il pourrait s'avérer etre une alternative à l'uranium naturel. L’utilisation du thorium est intéressante car les résidus de son utilisation contiennent moins d’actinides et ne produisent pas de plutonium, ce qui est un avantage pour la gestion à long terme des déchets radioactifs.
L'enrichissement
L'isotope 235, à l'état naturel, n'est présent qu'à seulement 0.7% en moyenne dans l'uranium extrait des mines.
Or c'est cet isotope seul qui peut provoquer une réaction de fission nucléaire libératrice d’énergie. On a donc recourt à une technique nommée l'enrichissement, qui, comme son nom l'indique, enrichit l’uranium naturel pour ainsi obtenir cet isotope 235 en plus grande proportion. Il faut disposer d'un combustible dont la proportion d'uranium 235 fissile se situe entre 3 et 5 % pour mener à bien la fission nucléaire.
L’enrichissement est une opération complexe car, l’uranium 235 et l’uranium 238 étant des isotopes, ils ont les mêmes propriétés chimiques. Néanmoins il est quand même possible de les différencier grâce a leur légère différence de masse due à leur nombre de neutrons différents. Calculons cette différence de masse :
Masse d'un neutron : 1,67493×10^-27 kg
3 x 1,67493×10^- 27 kg = 5.02479*10^-27 kg de différence
L’uranium 235 est donc légèrement moins lourd que l’uranium 238.
C’est pour cette raison que l’enrichissement de l’uranium est actuellement basé sur la différence de mobilité des deux isotopes due a leur faible différence de masse.
Seul deux procédés d'enrichissement sont développés à l'échelle industrielle : la diffusion gazeuse et l'ultracentrifugation.
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La diffusion gazeuse consiste a faire passer l’UF6 (hexafluorure d'uranium) à l’état gazeux à travers une multitude de « barrières » qui sont des membranes percées de trous minuscules. Les molécules d’hexafluorure d’uranium 235, étant plus légères que celles de l’uranium 238, elles les traversent un peu plus rapidement, ce qui permet l’enrichissement progressif de l’uranium. Cependant, au vu de leurs masses quasiment similaires, le ralentissement de l’uranium 238 est très faible par rapport a celui de l’uranium 235 ; c’est pour cela que l’opération est répétée 1400 fois.
Schéma explicatif de la diffusion gazeuse
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L'ultracentrifugation est un principe de séparation qui a lieu dans une centrifugeuse, sous vide, qui tourne à grande vitesse. Cette opération projette plus vite à sa périphérie l’hexafluorure d’uranium 238 que l’hexafluorure d’uranium 235. La légère différence de masse entre les deux molécules permet donc d’augmenter progressivement la concentration d’uranium 235 d'une manière simple : du gaz UF6 est introduit dans la centrifugeuse, le gaz comportant l'isotope léger 235 monte et le gaz comportant l'isotope lourd 238, lui, descend. Comme pour la diffusion gazeuse, il faut renouveler plusieurs fois l’action afin d’obtenir un enrichissement suffisant.
Centrifugeuses
Schéma de l'ultracentrifugation
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