livret combustible

7/30/2019 Livret Combustible

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> INTRODUC

Des mines duranium au stockage des dchets 7 > Le cycle du combustiblDes mines duranium au stockage des dchets 7 > Le cycle du combustible nuclaire

DE LA R E CHE R CHE

L I N D U S T R I E

> Des mines duranium au stockage des d

AVANT LE RACTEUR:LA PRPARATION DU COMBUSTIBLE

DANS LE RACTEUR:LA CONSOMMATION DU COMBUSTIB

APRS LE RACTEUR: LE RETRAITEMLES DCHETS NUCLAIRES

1 > Latome2 > La radioactivit3 > Lhomme et les rayonnements4 > Lnergie5 > Lnergie nuclaire: fusion et fission6 > Le fonctionnement dun racteur nuclaire7 > Le cycle du combustible nuclaire8 > La microlectronique

LA COLLECTION

1 > Latome2 > La radioactivit3 > Lhomme et les rayonnements4 > Lnergie5 > Lnergie nuclaire: fusion et fission6 > Le fonctionnement dun racteur nuclaire7 > Le cycle du combustible nuclaire8 > La microlectronique

> Le cycle

du combustiblenuclaire

7 > Le cycle

du combustiblenuclaire

Commissariat lnergie Atomique, 2002Direction de la communicationBtiment Sige - 91191 Gif-sur-Yvette cedexwww.cea.fr

ISSN 1637-5408.

Commissariat lnergie Atomique, 2002Direction de la communicationBtiment Sige - 91191 Gif-sur-Yvette cedexwww.cea.fr

ISSN 1637-5408.


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> INTRODUC

Des mines duranium au stockage des dchets 7 > Le cycle du combustible nuclaire

> SOMMAIRE2

introductioUncombustible est une matire qui fournitde la chaleur en brlant. Les plus connussont le bois, le charbon, le gaz naturel oule ptrole. Par analogie, luranium, utilisdans les centrales nuclaires, est appelcombustible nuclaire car il dgage ausside la chaleur mais cette fois par fission et nonpar combustion.Le combustible nuclaire, aprs son utilisa-tion dans le racteur, peut tre retrait afinden extraire les matires nergtiques recy-clables. Cest pourquoi on parle de cycle ducombustible nuclaire. Ce cycle regroupe len-semble des oprations industrielles suivantes: extraction de luranium des mines; fabrication du combustible; utilisation dans le racteur; retraitement du combustible dcharg du

racteur; traitement et stockage des dchets.

De lextraction de luranium au stockagedes dchets radioactifs, le cycle ducombustible nuclaire comporte unemultitude doprations industrielles.

Le combustible nuclaire fournit parmasse, par kilo par exemple, beaucdnergie quun combustible fossile ou ptrole). Utilis dans un racteur pression, un kilo duranium produit 10plus dnergie quun kilo de charboptrole dans une centrale thermique.le combustible restera longtemps (annes) dans le racteur, contrairecombustibles classiques qui sont brdement. Le combustible nuclaire diffrent des autres parce que luransubir de nombreuses oprations aprs sotion et avant son utilisation dans le rPour simplifier, nous parlerons, dans qui suivent, du combustible nuclaidans les racteurs eau sous pressioEn effet, les centrales nuclaires codun ou plusieurs REP sont les plus rdans le monde (voir livret Le fonctiondun racteur nuclaire).

AVANT LE RACTEUR:LA PRPARATIONDU COMBUSTIBLE 4Lextraction de luraniumdu minerai 5

La concentrationet le raffinage de luranium 6

Lenrichissement de luranium 6

Diffrentes mthodesdenrichissement 8

DANS LE RACTEUR:LA CONSOMMATION

DU COMBUSTIBLE 9La prparation desassemblages de combustible 10

La consommationde luranium 235 10

La dgradationdu combustible 11

APRS LE RACTEUR:LE RETRAITEMENT 12Les objectifs du retraitement 13

Lextraction des produitsde fission 13

Le recyclage des matires

combustibles 14

> INTRODUC

Lecycled

u

comb

ustiblenuclaire

Le combustible us est entrepos dans une piscinede refroidissement sur place. Il y restera trois ans.

Lextractiodu minerauranifreseffectue des minesouvert icmines de M(Canada)ou en galesouterrain

Des mines duranium au stockage des dchets 7 > Le cycle du combustibl

Conception et ralisation: Spcifique - Photo de couverture: CEA/Roquemaure - Illustrations: YUVANOE - Impression: Imprimer ie de Montligeon- 09/2002

Cogema

LES DCHETS NUCLAIRES 16La production de dchetsnuclaires en France 17

Le tri et le stockagedes dchets radioactifs 18

La recherche sur les dchets

vie longue 19

Cogema/P.

Lesage


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Des mines duranium au stockage des dchets 7 > Le cycle du combustibl

> AVANT LE RACTEUR: LA PRPARATION DU COMBUST4

UNE FOIS EXTRAIT DE LA MINE,LURANIUM EST PURIFI, CONCENTRET ENRICHI.

LEXTRACTION DE LURANIUMDU MINERAILuranium est un mtal relativement rpandudans lcorce terrestre (50 fois plus que le mer-cure par exemple). Comme la plupartdesmtaux, il ne sextrait pas directement soussa forme pure parce qu ltat naturel il setrouve, dans des roches, combin dautreslments chimiques. Les roches lesplus riches

Des mines duranium au stockage des dchets 7 > Le cycle du combustible nuclaire

Avant le racteur:la prparationdu combustible

en uranium sont les minerais uranifr-dire contenant de luranium), teexemple, luraninite et la pechblendLe cycle du combustible nuclaire codonc par lextraction du minerai udans des mines ciel ouvert ou ensouterraines. Les principaux gisementse trouvent en Australie, aux tats-Canada, en Afrique du Sud et en Ru

Cogema/P.

Lesage

Cycle simplifi actuel du combustible nuclaire en France

Extractionde minerai

Uranium

naturel

Combustible UO2uss

Combustibles Moxuss

Racteu

neutrons t

Entreposage

Entreposage

Entreposage

Usines deretraitement

Fabricationdu combustible

UO2 +PuO2

Stockage dfinitif3% des combustibles uss

0,5% de luranium naturel extrait

Dchets

Uraniumrecycl

Uraniumnaturel pur

Plutonium

Uraniumappauvrien U 235

Uraniumenrichien U 235

Enrichissement

Conversion

Concentration

Combustible UO2

Combustible Mox

Avant le racteur:la prparationdu combustible


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LA CONCENTRATIONET LE RAFFINAGE DE LURANIUMLa teneur du minerai en uranium est en gnralassez faible. En France, par exemple, chaquetonne de minerai contient de 1 5kg duranium(soit entre 0,1 et 0,5%). Il est donc indispen-sable de concentrer luranium de ces minerais,ce qui se fait le plus souvent sur place.Les roches sont dabord concasses et finementbroyes, puis luranium est extrait par diversesoprations chimiques.Le concentr fabriqu a laspect dune pte jauneappele yellow cake. Il contient environ 75%doxyde duranium, soit 750 kg par tonne.

Luranium est un mtal qui soxyde trs rapidement au contactde loxygne de lair, se transformant en oxyde duranium.


> AVANT LE RACTEUR: LA PRPARATION DU COMBUST6 > AVANT LE RACTEUR: LA PRPARATION DU COMBUSTIBLE

dun racteur nuclaire).Or, dans 100kg dura-nium naturel, il y a 99,3 kg duranium 238 et0,7 kg duranium 235, soit 0,7% seulement

duranium 235 fissile. Lopration consistant augmenter la proportion duranium 235 estappele enrichissement.

Lenrichissement est une opration difcomme tous les isotopes dun mme luranium 235 et luranium 238 se blent beaucoup et ont quasiment leproprits chimiques (voir livret LCependant, il est possible de les difgrce leur lgre diffrence de meffet, luranium 235 est un tout petit lger que luranium 238.Cest pourquoi, actuellement, lenment de luranium est bas sur la dde mobilit due cette faible diffmasse. De tous les procds denrichtudis jusqu prsent, deux ont lopps lchelle industrielle: la dgazeuse et lultracentrifugation.

Le concentr duranium ne peut pas tre uti-lis tel quel dans les racteurs nuclaires.Loxyde duranium doit dabord tre dbarrassdes impurets par diffrentes tapes depurification (raffinage). Trs pur, il est ensuiteconverti en ttrafluorure duranium (UF4)constitu de quatre atomes de fluor et dunatome duranium.

LENRICHISSEMENTDE LURANIUMPour alimenter les REP, il faut disposer duncombustible dont la proportion duranium235se situe entre 3 et 5 %, car seul cet isotope deluranium peut subir la fission nuclaire lib-ratrice dnergie (voir livretLe fonctionnement

Pour alimenterles racteursnuclaires,luranium naturel

doit tre enrichien uranium 235.

Usine COMINAK de traitement du minerai au Niger.Foration montante en terrain congel dans la mine de McArthur (Canada).

Cogema/Cameco

Pour augmenter leur teneur en uranium,les roches du minerai sont concasseset finement broyes. Le concentr obtenuest appel yellow cake.

Cogema/O.

Martel


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Mais tant donn la masse trs voisine des deuxisotopes, le ralentissement de luranium 238est trs faible par rapport celui de luranium235. Cest pourquoi, en France, dans lusinedenrichissement de luranium (usine Eurodifde Tricastin dans la valle du Rhne fournis-sant plus du tiers de la production mondialeduranium enrichi),lopration doit tre rpte1400 fois pour produire un uranium assez

enrichi en uranium 235, alors utilisable dansdes centrales nuclaires classiques.

LultracentrifugationUn autre procd denrichissement de luraniumest utilis moins grande chelle par le groupeeuropen Urenco (Allemagne, Pays-Bas, Grande-Bretagne): cest lultracentrifugation.Ce principe de sparation utilise une centri-fugeuse qui, telle une essoreuse salade tour-nant grande vitesse, projette plus vite sapriphrie lhexafluorure duranium 238 quelhexafluorure duranium 235 quelle contient.La trs lgre diffrence de masse entre lesdeux molcules permet ainsi daugmenter petit petit la concentration en uranium 235. Lencore, de nombreuses tapes successivessont ncessaires pour obtenir un enrichis-sement suffisant.

TROIS OU QUATRE ANS : CEST LA DUREDUTILISATION DU COMBUSTIBLE DANSUN RACTEUR NUCLAIRE.

Dans le racteur:la consommationdu combustible

MdiathqueEDF/C.

Pauquet

> DANS LE RACTEUR: LA CONSOMMATION DU COMBUST> AVANT LE RACTEUR: LA PRPARATION DU COMBUSTIBLE


8

DIFFRENTES MTHODESDENRICHISSEMENTLa diffusion gazeuseAvant son enrichissement par ce procd, lettrafluorure duranium, obtenu aprs extrac-tion du minerai et raffinage, sera transformen hexafluorure duranium (UF6) qui a la pro-prit dtre gazeux partir de 56 C.Le procd par diffusion gazeuse consiste faire passer lUF6 ltat gazeux travers unemultitude de barrires qui sont des membranesperces de trous minuscules. Les molculesdhexafluorure duranium 235, plus lgres quecelles dhexafluorure duranium 238, traver-sent un peu plus rapidement chaque barrire,ce qui permet denrichir peu peu luranium.

Alle de diffuseurs lusineGeorges Besse dEurodif.

Cogema/P.

Lesage


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> DANS LE RACTEUR: LA CONSOMMATION DU COMBUST


> DANS LE RACTEUR: LA CONSOMMATION DU COMBUSTIBLE10

dit que luranium 238 est fertile. Une partiedu plutonium 239 peut fournir de lnergie parfission des noyaux. Une petite partie se trans-forme aussi en dautres isotopes du plutoniumpar capture de neutrons.

LA DGRADATIONDU COMBUSTIBLEAu fil du temps, le combustible va subircertaines transformations qui le rendent moinsperformant: consommation progressive duranium 235; apparition de produits de fission (absorbant

les neutrons, ces produits perturbent la rac-tion en chane).Au bout dun certain temps, le combustibledoit donc tre retir du racteur mme silcontient encore des quantits importantesde matires nergtiques rcuprables, notam-ment luranium et le plutonium. Ce combus-

tible us est galement trs radioactifde la prsence des produits de fission. Lnements mis par ces atomes radioactgent beaucoup de chaleur et, aprs sation, le combustible us est donc edans une piscine de refroidissementracteur pendant trois ans pour laisnuer son activit (voir livretLa radioa

Pour une centrale, plus de 40 000 crayonssont prpars pour tre rassemblsen fagots de section carre, appelsassemblages de combustible.

Le combustibleus est entrepos

dans une piscinede refroidissementsur place. Il y restetrois ans.

LA PRPARATIONDES ASSEMBLAGESDE COMBUSTIBLEAprs enrichissement, lhexafluorure dura-nium est converti en oxyde duranium sous laforme dune poudre noire. Celle-ci est compri-me puis fritte (cuite au four) pour donner des

petits cylindres denviron 1 cm de long et groscomme des petits morceaux de craie, appelspastilles. Chaque pastille, qui ne pse que7 g, peut librer autant dnergie quune tonnede charbon (1 million de grammes).Les pastilles sont enfiles dans de longs tubesmta lliques de 4 m de long en a llia ge de

Chaque assemblage de combustible contient264 crayons, lesquels renferment les pastillesdoxyde duranium.

zirconium, les gaines, dont les extrmitssont bouches de manire tanche pour consti-tuer les crayons de combustible. Pour unecentrale, plus de 40000 crayons sont prparspour tre rassembls en fagots de sectioncarre, appels assemblages de combustible.Chaque assemblage contient 264 crayons. Lechargement dun racteur nuclaire de900 mgawatts (millions de watts) ncessite157 assemblages contenant en tout 11 mil-lions de pastilles.

LA CONSOMMATIONDE LURANIUM 235Les assemblages de combustible, dispossselon une gomtrie prcise, forment le curdu racteur. Chacun va y sjourner pendant troisou quatre ans. Durant cette priode, la fissionde luranium 235 va fournir la chaleur nces-saire la production de vapeur puis dlectricit.En effet, luranium 235 est fissile. Cela signifieque, sous leffet de la collision avec un neu-tron, son noyau se casse (fissionne) en produitsde fissionradioactifstout en librant de lnergie.

E n r e va nc h e,luranium 238,qui reprsente

pourtant 97% dela masse dura-

nium enrichi, ne se casse pas lors de labsorp-tion dun neutron. Cependant, certains noyauxduranium 238 capturent un neutron et setransforment en plutonium 239, lequel est fis-sile comme luranium 235: cest pourquoi on

Les atomes dont les noyauxsont instables sont dits radioactifs.Ces noyaux se transformentnaturellementen dautres noyaux

en mettant des rayonnements(voir livret La radioactivit).

CEA

/M.

Faugre

La prparation des assemblages de combustible

Hauteur:4mtres

Bouchon soud

Pastille doxydeduranium

Grille de maintiendes crayons

Assemblagede combustible

CRAYON DE COMBUSTIBLE

Bouchon soud


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> APRS LE RACTEUR: LE RETRAITE


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LES OBJECTIFSDU RETRAITEMENTLe retraitement consiste : rcuprer la matire encore utilisable, le pluto-nium et luranium, pour produire nouveau dellectricit. Cest le recyclage des matires ner-gtiques contenues dans les combustibles uss; trier les dchets radioactifs non rcuprables.Certains pays nont pas opt pour le retraite-ment, par exemple, la Sude et les tats-Unis.Dans ce cas, les combustibles uss sont consi-drs comme des dchets et sont directementstocks aprs leur retrait du racteur. Les paysayant choisi davoir une usine de retraitementsont la France, la Grande-Bretagne, la Russieet le Japon. Dautres pays comme lAllemagne,la Suisse et la Belgique font retraiter dansdautres pays (notamment en France).

LEXTRACTION DESPRODUITS DE FISSIONLors de leur arrive dans lusine de retraite-ment, les assemblages de combustible usssont de nouveau entreposs dans une piscine.Ils sont ensuite cisaills en petits tronons,lesquels sont alors introduits dans une solu-tion chimique qui dissout le combustible

mais laisse intacts les morceaux m(gaines). Ceux-ci seront stocksdchets nuclaires. Des traitements csuccessifs sur le combustible en permettent de sparer le plutoniumnium des produits de fission. Ces seront intgrs dans des verres spciafication) et stocks comme dchets nuLuranium et le plutonium, qui repr

le retraitement

LE RETRAITEMENT CONSISTE RCUPRERLA MATIRE UTILISABLE, LE PLUTONIUMET LURANIUM, ET ISOLER LES DCHETSRADIOACTIFS NON RCUPRABLES.

Une fois spars, les produits de fission sont intverres spciaux et stocks comme dchets

Certains pays retraitent eux-mmesleurs dchets, dautres sous-traitent cettopration en dehors de leurs frontires,en France notamment.

Cogema/P.

Lesage

Cogema

Aprs le racteur:le retraitement


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> APRS LE RACTEUR: LE RETRAITE


> APRS LE RACTEUR: LE RETRAITEMENT14

Chargement de cur dans la centralenuclaire de Daya Bay (Chine).

Coupe de combustible Mox colorise.

Luranium rcupr pourraencore tre enrichi plus de 3%et suivre une voie analogue celle dun combustible ordinaire.

Cogema/G.

Liesse

CEA

96% de lensemble, sont spars et condi-tionns sparment.

LE RECYCLAGE DES MATIRESCOMBUSTIBLESLutilisation du plutonium issu du retraitementfait lobjet de nombreuses tudes, notammentau CEA. De nouveaux combustibles compossdun mlange doxyde duranium et oxyde de plu-

tonium (appels Mox, de langlais Mixed Oxides)sont dj utiliss dans certains racteurs (REP)dEDF. De plus, en ce qui concerne luraniumrcupr au cours du retraitement et qui est encorelgrement plus riche que luranium naturel(environ 1% duranium 235), il pourra tre nouveau enrichi plus de 3% et suivre une voieanalogue celle dun combustible ordinaire.

16


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nuclairesLes dchetsnuclaires

> LES DCHETS NUCLA


16

LA PRODUCTION DE DCHETSNUCLAIRES EN FRANCEToute activit humaine gnre des dchets.La croissance dmographique et industriellesaccompagne dun accroissement du volumede dchets traiter, conditionner, recycler oustocker lorsque le recyclage nest pas possible.Lindustrie nuclaire nchappe pas la rgle.Cependant, ces dchets ne constituent quunepart minime des dchets produits par lasocit. titre de comparaison, la quantit

LE MODE DE STOCKAGE DES DCHETSNUCLAIRES DPEND DE LA DURE DELEUR RADIOACTIVIT.

annuelle de dchets industriels pro

France, par habitant, est de 2500

100 kg de dchets toxiques) cont

environ de dchets nuclaires. Dans

seuls 10 g sont des dchets de ha

vit. La quantit nest cependant paaspect prendre en compte; la toxaussi trs importante. Cest pourrecherches sur le traitement et le de ces dchets font lobjet de nomtudes.

CEA/E.

Joly

Dchets industriels par anet par habitant: 2 500kg

Dchets nucl

moins de 1kg (

Moins de 100 g

de dchets B +C

Dont moins de 10 gde dchets C

LES TROIS CATGORIES

DE DCHETS RADIOACTIFSCatgorie A

Dchets vie courte (priode de moins de 30ans)de faible et moyenne activit.

Rayonnement bta et gamma.

Radioactivit comparable la radioactivit naturelledici 300 ans.

> Origine: laboratoires, mdecine nuclaire, industrie(agroalimentaire, mtallurgie, etc.), usines nuclaires(objets contamins: gants, filtres, rsines, etc.).

Catgorie B

Dchets vie longue (plusieurs dizaines de milliersdannes) de faible et moyenne activit.

Rayonnement alpha.

Catgorie C

Dchets vie longue et haute activit et dgagementde chaleur pendant plusieurs centaines dannes.

Rayonnement alpha, bta et gamma.

> Origine: retraitement des combustibles uss issus descentrales nuclaires (cendres de la combustion).

18


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> LES DCHETS NUCLA


> LES DCHETS NUCLAIRES18

France, La Hague (Manche) et Soulaines(Aube). Leur gestion est assure par lAndra(Agence nationale pour la gestion des dchetsradioactifs). Les dchets vie longue et/ou de haute acti-vit (10% du volume total). Leur dcroissanceradioactive stend sur plusieurs milliers voirecentaines de milliers dannes. Ils sont coulsdans du bitume ou du verre. En France, leur

devenir fait lobjet dune loi vote en 1991.Lune des options envisages est le stockageen formation gologique profonde. Elle seratudie grce la ralisation de deux labora-toires souterrains. Les autres options sontleur transformation, en racteur nuclaire,en dchets radioactifs vie plus courte

(cette opration sappelle la transmutation),mais galement ltude des procds de condi-tionnement et lentreposage de longue dureen surface ou en subsurface ( quelquesdizaines de mtres sous terre). En attendantune dcision finale, ils sont entreposs ensurface La Hague et Marcoule.

LA RECHERCHE SURLES DCHETS VIE LONGUELa rduction du volume et de lactivit desdchets solides et liquides est au premier rangdes objectifs de recherche et dveloppementqui comprennent:

la recherche, effectue au CEA, de solutionspermettant la sparation et la transmutationdes lments radioactifs vie longue prsentsdans ces dchets; ltude, au CEA, de procds de condition-nement et dentreposage de longue dure ensurface ou en subsurface; ltude des possibilits de stockage rversibleou irrversible dans les formations gologiquesprofondes, notamment grce la ralisation delaboratoires souterrains, effectue par lAndra.La protection de lhomme et de son environ-nement est une composante majeure des

travaux des chercheurs et ingnieurs du CEA,qui apportent un soin particulier la mise aupoint de procds et technologies visant diminuer sans cesse les risques lis la radio-activit. Au quotidien, une mme attention visela gestion des dchets lis leurs propres acti-vits de recherche.

Au bout de 300 ans, 90% des dchetsont perdu leur radioactivit.

En 2006, leparlement franaisse prononcera surle mode de gestiondfinitif des dchetnuclaires vie longue.

Conditionnement des dchets dans une matrice en bton.

Chane blinde de vitrification des produits

Priode radioactive dun radiolment:temps au bout duquel la moiti des atomesde ce radiolment initialement prsentsa disparu par dsintgration.

CEA

CEA/Foulon

Les dchets nuclaires sont produits toutesles tapes du cycle du combustible nuclaire:extraction minire, enrichissement de luranium,fabrication des assemblages, exploitation desracteurs, retraitement. Ils sont aussi engen-drs lors du dmantlement des installationsnuclaires. Sy ajoutent les dchets radioactifsproduits par les centres de recherche (CEA),ainsi que les industries et hpitaux utilisant deslments radioactifs.

LE TRI ET LE STOCKAGEDES DCHETS RADIOACTIFSTous les dchets radioactifs ntant pas iden-

tiques, ils sont classs selon deux critres envue de leur stockage: leur niveau dactivit, cest--direlintensitdu rayonnement, qui conditionne limportancedes protections utiliser contre la radioactivit ;leurpriode radioactive, qui permet de dfinir

la dure deleur nuisancepotentielle.

On distingue ainsi les dchets selon leur durede vie et leur activit. Les dchets vie courte, de faible et moyenne

activit. Ils reprsentent 90% des dchetsradioactifs produits en France. Au bout de300 ans, ces dchets ont perdu presque touteleur activit (voir livret La radioactivit). Ilssont compacts dans des fts en acier ou enbton qui sont stocks dans des centres destockage de surface. Il en existe deux en

livret combustible

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