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Auteur(s)
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André BERTHET : Ancien chef du département combustibles à EDF Direction de l’équipement-SEPTEN
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Lire l’articleINTRODUCTION
Le combustible au plutonium mis au point pour les réacteurs à eau légère est aujourd’hui un produit industriel utilisé par les exploitants de centrales en Belgique, en Allemagne, en Suisse et en France.
Le MOX (« Mixed Oxides ») est le nom couramment utilisé pour désigner ce combustible. Il se présente sous la forme d’une céramique dans laquelle l’oxyde de plutonium (PuO2) est intimement mélangé avec une matrice d’oxyde d’uranium (UO2), cet uranium pouvant être naturel, appauvri ou issu du retraitement.
Le plutonium n’existe pas dans la nature. Il est formé en réacteur par capture de neutrons. Une partie est consommée par fission in situ, le reste est présent dans le combustible usé déchargé du réacteur.
Le plutonium est une matière fissile à fort potentiel énergétique. Un gramme de plutonium dans le MOX produit la même quantité d’électricité qu’une tonne de pétrole.
Initialement prévu pour être utilisé dans les réacteurs à neutrons rapides, le plutonium peut se substituer à l’uranium 235 dans les réacteurs à eau. Cette utilisation, qui nécessite le retraitement du combustible irradié, contribue à la fermeture du cycle du combustible et valorise les matières fissiles récupérables.
Cet article n’a pas pour objet de traiter de façon exhaustive tous les aspects de l’utilisation du plutonium dans les réacteurs à eau légère, mais seulement de mettre en évidence les faits marquants.
Après un rappel de la démarche qui a conduit à la situation actuelle, les principaux domaines techniques spécifiques au MOX sont développés et des voies d’évolutions sont évoquées.
Pour des raisons évidentes, les études et développements présentés s’appuient largement sur les réalisations en France. Sur le plan national, une coordination efficace entre les acteurs principaux qui sont les laboratoires de recherche, les industriels du nucléaire et l’exploitant EDF, a permis à l’utilisation du plutonium dans les réacteurs de devenir une réalité industrielle.
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Physique des REP recyclant le plutonium
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1. Présentation générale
1.1 Évolution
Le MOX, Mixed Oxides oxyde mixte d’uranium et de plutonium (UO2 - PuO2), est aujourd’hui un produit industriel utilisé comme combustible nucléaire par plusieurs exploitants de centrales dans le monde : Belgique, Allemagne, Suisse, France.
L’évolution du recyclage du plutonium en réacteurs électrogènes s’est faite en même temps que le développement de cette industrie.
Très tôt, dès les années 1950, les scientifiques ont convenu que le recyclage du plutonium dans les réacteurs à neutrons rapides (RNR) était la meilleure solution pour tirer le meilleur parti des propriétés de cette matière fissile.
Pendant la même période, un important programme international d’utilisation du plutonium dans les réacteurs à eau pressurisée (REP) était lancé en particulier par EURATOM et l’AEC aux États-Unis. Ce programme visait à utiliser le plutonium disponible compte tenu des évolutions de consommation des RNR.
Une étape significative était franchie en 1963 par le chargement du premier assemblage MOX dans le réacteur belge BR3.
Jusqu’au milieu des années 1970, un important travail de recherche et de développement, soutenu à la fois par l’intérêt technique du recyclage mais aussi par la crainte d’une pénurie d’uranium, mobilisait chercheurs et industriels en particulier en Europe et aux États-Unis.
Durant cette période :
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des assemblages expérimentaux contenant des crayons de combustible MOX ont été chargés dans au moins 19 REP (dont le réacteur de la centrale nucléaire des Ardennes, Chooz A) ;
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des ateliers pilotes de fabrication de combustible MOX voyaient le jour : à Dessel en Belgique, à Cadarache en France, en Allemagne à l’usine Alken, en Grande-Bretagne avec le laboratoire de Windscale, en Italie et aux États-Unis sur les sites de Nuclear Metals, Exxon Nuclear, General Electric, Gulf United Nuclear et Westinghouse.
A partir du milieu des années 1970, une décision politique de l’administration Carter conduisit à un gel des programmes de recherche et développement sur le recyclage du plutonium dans les REP. Cette décision aura des répercussions en Europe en particulier en Italie.
Dans les années 1980 un ensemble d’événements a progressivement modifié le contexte du développement du RNR :
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la réduction...
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