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RÉSUMÉ
Cet article présente les notions de base sur le combustible des réacteurs nucléaires et sur le «cycle du combustible ». Il précise les ordres de grandeur sur les flux de matières nucléaires gérées dans ce cycle et introduit les notions de base sur la chimie de l'uranium et des actinides. Les différentes étapes du processus appelé « amont du cycle du combustible », qui consiste à l'élaboration d'un élément combustible prêt à être chargé dans un réacteur nucléaire sont décrites, de même que la prospection et le traitement de l'uranium, sa conversion, son enrichissement, et enfin la fabrication du combustible. Pour chacun de ces secteurs, les aspects techniques sont traités en décrivant les procédés mis en oeuvre et les outils industriels utilisés, ainsi que les marchés de chaque secteur d'activité.
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Évelyne BERTEL : Administrateur principal à l’Agence pour l’énergie nucléaire de l’Organisation de coopération et de développement économiques (OCDE/AEN)
INTRODUCTION
Le combustible destiné à l’alimentation des réacteurs nucléaires présente des caractéristiques spécifiques qui le différencient des combustibles fossiles utilisés dans les centrales électriques thermiques classiques.
Tout d’abord, contrairement aux combustibles classiques, le combustible nucléaire n’est pas « brûlé » ; l’énergie est produite dans le cœur du réacteur par des réactions de fission des noyaux. Ce type de réactions produit des quantités d’énergie plus de 10 000 fois supérieures, à masse égale de combustible, à celles dégagées par la combustion du charbon, du pétrole ou du gaz naturel.
Par ailleurs, l’élaboration du combustible nucléaire à partir de la matière première nécessite une série de transformations beaucoup plus complexes que celles qui entrent dans la préparation des combustibles fossiles. En outre, après son utilisation dans le réacteur, le combustible nucléaire contient encore des matières énergétiques éventuellement réutilisables et des produits radioactifs résiduels. Il doit donc subir des traitements appropriés préalablement à son évacuation définitive.
L’ensemble des opérations de transformation, de la mine au réacteur et du réacteur au dépôt d’évacuation définitive des déchets radioactifs constitue le cycle du combustible nucléaire. Le développement de la production d’électricité d’origine nucléaire a donné naissance à un secteur industriel spécifique couvrant ces activités. Le présent article décrit succinctement les procédés mis en œuvre à chaque étape du cycle du combustible et donne un aperçu des capacités industrielles mises en place dans le monde pour la production d’uranium et de services du cycle. La situation du marché international du cycle du combustible et ses aspects économiques sont également traités brièvement.
Bien que non reconnu par le Système international (SI), il est d’usage, dans la profession, d’utiliser le MWe pour indiquer une puissance électrique de 1 MW.
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- Version courante de janv. 2016 par Dominique GRENECHE
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Cycle du combustible des réacteurs à eau ordinaire1. Combustibles nucléaires et filières de réacteurs
Pour la présentation détaillée des matériaux nucléaires et des filières de réacteur, le lecteur pourra se reporter en [1] [2].
Le terme de combustible nucléaire est, en toute rigueur, impropre dans la mesure où l’énergie produite dans les centrales nucléaires provient non pas d’une réaction de combustion, comme cela est le cas dans les centrales thermiques classiques, mais de réactions de fission nucléaire en chaîne entretenues dans le cœur des réacteurs. Les filières de réacteurs nucléaires qui ont été développées jusqu’à ce jour utilisent trois types de combustibles : à l’uranium, au plutonium et au thorium. Les noyaux fissiles utilisés dans ces réacteurs sont respectivement l’isotope 235 de l’uranium (235U), l’isotope 239 du plutonium (239Pu) et l’isotope 233 de l’uranium (233U). L’uranium 235 est présent à 0,7 % dans l’uranium naturel. Le plutonium 239 et l’uranium 233 sont des isotopes artificiels qui n’existent pas à l’état naturel mais sont créés dans le cœur des réacteurs à partir de noyaux fertiles, l’uranium 238 et le thorium 232.
Les réactions de fission peuvent être engendrées et entretenues soit directement par des neutrons rapides émis au cours de la fission de noyaux lourds, soit par des neutrons lents qui ont été ralentis lors de collisions successives avec d’autres noyaux jusqu’à une vitesse de l’ordre de leur vitesse moyenne d’agitation thermique.
Bien que l’entretien de réactions en chaîne soit possible à partir des seuls noyaux fissiles, le rendement énergétique de ces réactions est sensiblement amélioré par la présence, dans le cœur du réacteur, de noyaux fertiles capables de générer des noyaux fissiles par capture neutronique. Le principal noyau fertile utilisé...
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Combustibles nucléaires et filières de réacteurs
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Dans les Techniques de l’Ingénieur
BACHER (P.) - CROCHON (J.-P.) - Réacteurs nucléaires. Généralités. - B 3 020 (1991). Traité Génie nucléaire, volume B 8I.
LEFÈVRE (J.) - Matière et matériaux. - BE 3 500 (1997). Traité Génie nucléaire, volume B 8II.
POTY (B.) - ROUX (J.) - Minerais d’uranium. - BN 3 570 (1998). Traité Génie nucléaire, volume B 8II.
MICHEL (P.) - Production de concentrés d’uranium naturel. - BE 3 580 (1997). Traité Génie nucléaire, volume B 8II.
RIGO (L.) - FARON (R.) - Raffinage et conversion des concentrés d’uranium. - B 3 590 (1995). Traité Génie nucléaire, volume B 8II.
MASSIGNON (D.) - Enrichissement de l’uranium. - B 3 600 (1992). Traité Génie nucléaire, volume B 8II.
MONEYRON (G.) - Technologie et fabrication du combustible à base d’uranium....
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