Dans ce dossier, nous traiterons la conception et la fabrication des combustibles à base d'uranium en mettant l'accent sur les combustibles des réacteurs à eau sous pression qui constituent actuellement en France la principale source de production d'énergie électrique.
Après la présentation du rôle du combustible nucléaire en général, le dossier passe en revue les combustibles à base d'uranium des différentes filières de réacteurs nucléaires en service dans le monde. Le cas des combustibles pour les réacteurs à eau légère, et plus particulièrement pour les réacteurs de type REP (réacteurs à eau pressurisée) tels que ceux mis en œuvre en France, est ensuite décrit avec plus de détails : leur conception, les phénomènes limitant leur domaine d'exploitation, les principales étapes de leur fabrication.
Aujourd'hui l'industrie des combustibles nucléaires à base d'uranium a acquis une grande maturité. Des milliers de tonnes sont fabriqués tous les ans avec des performances en service qui ont été considérablement améliorées au fil du temps. Malgré cela, le combustible nucléaire continue de faire l'objet de nombreux programmes de recherches et développements portant autant sur l'amélioration des performances que sur les combustibles des décennies à venir.
Le lecteur pourra se reporter également aux dossiers de ce traité :
Thermohydraulique des réacteurs à eau sous pression[BN 3 050] ;
Chimie de l'eau et corrosion dans les REP[BN 3 750] ;
Thermomécanique du combustible des réacteurs à eau sous pression[B 3 060] ;
Fabrication des combustibles au plutonium[BN 3 630] ;
Fabrication des combustibles au plutonium pour les RNR[BN 3 632] ;
Fabrication des combustibles au plutonium pour les REP et REB[BN 3 635] ;
Combustibles à particules pour réacteurs à haute température[BN 3 640].
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L'uranium est généralement mis à disposition du fabricant par le client électricien ; il arrive sous forme d'hexafluorure enrichi (UF6), en conteneurs cylindriques contenant de l'ordre de 2,2 tonnes d'UF6 .
Pour passer de l'hexafluorure (solide jusqu'à environ 60 oC) à la poudre d'oxyde d'uranium (UO2) deux voies sont possibles, la voie chimique et la voie dite sèche, avec plusieurs variantes pour chacune.
La voie chimique (ou voie humide) comprend principalement deux variantes, le procédé ADU et le procédé AUC (encadré 3), pour lesquels les réactions chimiques simplifiées sont données ci-dessous. Dans les deux procédés, on commence par une vaporisation de l'hexafluorure (autour de 100 oC) suivie de réactions de précipitations en phase liquide et de traitements physico-chimiques. Ce sont des procédés discontinus (traitements en batchs ) fournissant une poudre UO2 de qualité satisfaisante pour le pastillage, leur inconvénient étant l'abondance des effluents liquides.
Initialement largement répandus dans l'industrie, ces procédés sont aujourd'hui de plus en plus remplacés par la voie sèche qui ne présente pas l'inconvénient de générer des effluents.
La voie sèche, toutes variantes confondues, est décrite par les équations simplifiées suivantes :
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(1) -
BAILLY (H.), MENESSIER (D.), PRUNIER (C.) -
Le combustible nucléaire des réacteurs à eau sous pression et des réacteurs à neutrons rapides – conception et comportement.
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Eyrolles (1996).
(2) -
Fission Gas Behaviour in Water Reactor Fuels.
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OECD/NEA Seminar Proceedings, Cadarache, France, sept. 2000.
(3) -
Pellet clad Interaction in Water Reactor Fuels.
-
OECD/NEA Seminar Proceedings, Aix-en- Provence, France, mars 2004.
(4) -
Very High Burn-ups in Light Water Reactors.
-
OECD/NEA report no 6224 (2006).
(5) -
MARDON (J.P.), HOFFMANN (P.B.), GARNER (G.L.) -
High burn-up behavior and Licensing of Alloy M5™.
-
International Meeting on LWR Fuel Performance. Kyoto, oct. 2005.
(6) -
DELAFOY (Ch.), RONDEPIERRE (J.F.) -
Le combustible des Réacteurs à Eau sous Pression.
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Bibliographie & annexes
En anglais
Organisation des fabrications
