Cycle du combustible nucléaire : généralités et amont du cycle

L'énergie délivrée par les réacteurs nucléaires repose sur la fission de noyaux atomiques par des neutrons. Ce phénomène de fission n'est possible que pour certains noyaux lourds très particuliers appelés noyaux fissiles. Il faut donc alimenter les réacteurs nucléaires avec ces noyaux fissiles conditionnés sous différentes formes dans un objet appelé combustible nucléaire. Ce terme est en fait une extension de celui qui est généralement réservé aux matières riches en carbone qui sont brûlées pour produire de l'énergie dans des installations classiques, et que l'on appelle des combustibles fossiles (essentiellement charbon, tourbe, gaz et pétrole). Cette analogie s'arrête là car les phénomènes de base sont totalement différents dans les deux cas : réaction chimique pour les combustible fossiles, mettant en jeu les forces électroniques des atomes, réactions nucléaires pour les combustibles nucléaires, mettant en jeu les forces contenues dans les noyaux atomiques.

Cela est l'occasion de souligner l'énorme écart qui existe en termes quantitatifs entre ces deux formes d'énergie. Rappelons, en effet, que la fission d'un noyau atomique dégage une quantité d'énergie à peu près égale à 200 MeV alors que l'énergie dégagée par une réaction chimique quelconque n'est tout au plus que de l'ordre de quelques dizaines d'électrons-volts. En conséquence, dans le domaine de l'énergie nucléaire et à une échelle industrielle on va s'exprimer en termes de tonnes ou tout au plus en milliers de tonnes de combustible alors que pour les combustibles fossiles les quantités en jeu se chiffrent en millions ou même en centaines de millions de tonnes.

Un combustible nucléaire est donc constitué fondamentalement de noyaux atomiques fissiles. Or, dans la nature il n'existe qu'un seul noyau ayant cette propriété : l'uranium 235 (noté ²³⁵U) qui est l'un des deux isotopes formant l'uranium naturel (noté U_nat), l'autre étant l'uranium 238 (noté ²³⁸U). Ainsi, c'est l'U_nat qui constitue l'élément naturel de base servant à fabriquer les combustibles utilisés dans les réacteurs nucléaires. Cet élément naturel, comme la plupart des autres matières naturelles utilisées pour fabriquer des produits industriels, est à rechercher à la surface du globe pour localiser les gisements économiquement rentables, puis extraire la matière recherchée. Comme cette matière n'est jamais pure à l'état naturel, il faut la purifier et ensuite la transformer à l'aide de processus physiques et chimiques divers afin d'obtenir un produit élaboré répondant aux besoins et aux normes souhaités. Il faut enfin conditionner ce produit élaboré sous la forme désirée, ici, un combustible nucléaire directement chargé dans le cœur d'un réacteur nucléaire, pour produire de l'énergie. L'ensemble de ces étapes s'appelle « l'amont du cycle du combustible » et fera l'objet de la section 2.

Une fois que ce combustible a séjourné en réacteur pour produire toute l'énergie souhaitée, il est déchargé du réacteur et devient un combustible usé que l'on ne peut pas abandonner directement, d'autant qu'il est très radioactif, et donc potentiellement dangereux. Il existe aujourd'hui deux grandes options pour prendre en charge le devenir de ce combustible usé :

• 1. Le conditionnement direct dans des conteneurs afin de pouvoir ensuite le stocker de façon définitive et sûre. C'est ce que l'on appelle communément le « cycle ouvert » ;

• 2. Le traitement visant à séparer les matières qu'il contient pour procéder ensuite aux opérations permettant de recycler certaines de ces matières (notamment les noyaux fissiles qui sont encore contenus dans ces combustibles usés) ou d'éliminer certaines autres, qui ne sont pas recyclables, en les destinant à un stockage définitif après conditionnement approprié. C'est ce que l'on appelle communément le « cycle fermé ».

Quelle que soit l'option retenue, l'ensemble de ces opérations s'appelle « l'aval du cycle du combustible ». Ce sujet fait l'objet d'un autre article, dans lequel on aborde en outre plusieurs aspects génériques liés au cycle du combustible nucléaire : transport des matières et matériaux radioactifs ainsi que celui des déchets liés au fonctionnement des installations, aspects économiques, sûreté des installations du cycle du combustible, démantèlement, aspects géopolitiques spécifiques liés au déploiement de l'industrie du cycle du combustible dans le monde.