L’uranium possède la particularité d’être le seul élément qui possède à l’état naturel un isotope fissile, l’uranium 235 : sous l’action de neutrons il peut subir des réactions de fission (c’est-à-dire de cassure du noyau) qui s’accompagnent d’un dégagement d’énergie.
Ce sont ces réactions de fission des atomes d’uranium 235 qui sont dans les réacteurs actuels à l’origine de l’essentiel de la production de chaleur, transformée par l’intermédiaire d’échangeurs thermiques en vapeur qui entraîne ensuite les turbines de production d’électricité.
En ordre de grandeur, le combustible produit à partir d’une tonne d’uranium naturel permet de tirer sous forme de chaleur, dans les réacteurs à eau pressurisée environ 10 000 fois plus d’énergie que ce que l’on peut récupérer par combustion d’une tonne de pétrole.
Dans le cadre de la fabrication du combustible, l’uranium est converti sous différentes formes chimiques adaptées aux différents procédés mis en oeuvre lors des étapes du cycle.
1 – L’uranium naturel extrait des mines d’uranium
L’uranium naturel extrait des mines (aussi noté Unat) est traité et mis sous la forme d’un concentré solide d’uranium puis conditionné dans des conteneurs métalliques spécifiques de 220 litres.
En fonction du procédé de traitement utilisé, les concentrés peuvent être sous forme d’uranates, appelés « yellow cake » ou d’oxydes d’uranium appelés « U3O8 ». Le « yellow cake » est une poudre grossière d’un jaune franc, l’U3O8 est une poudre gris-noir. Ces concentrés ne sont pas solubles dans l’eau et contiennent environ 80% d’uranium de composition isotopique correspondant à l’uranium naturel.
2 – L’uranium converti
Lors des étapes de conversion de l’uranium, deux formes chimiques sont successivement mises en oeuvre :
– le tétrafluorure d’uranium (UF4)
– l’hexafluorure d’uranium (UF6)
L’UF4 est un composé solide à température ambiante, se présentant sous la forme de cristaux verts et très peu soluble dans l’eau.
L’UF6, est un composé solide à température ambiante se présentant sous la forme de cristaux blancs. L’UF6 devient gazeux à 56,4°C et à la pression atmosphérique, ce qui permet son utilisation dans les différents procédés d’enrichissement. Outre sa radioactivité due à l’uranium, l’UF6 est un produit hautement toxique, qui réagit vivement avec l’eau. En atmosphère humide ou en présence d’eau, il se transforme en fluorure d’uranyle (UO2F2) et acide fluorhydrique (HF). La transformation est immédiate, violente et s’accompagne d’émissions abondantes d’acide fluorhydrique (gaz très toxique).
3 – L’uranium appauvri
L’uranium appauvri possède typiquement une teneur en uranium 235 de l’ordre de 0,2 à 0,3%. Il est entreposé sous forme d’U3O8 ou d’UF6 (dont les propriétés ont été présentées ci-avant).
L’U3O8 se présente sous la forme d’une poudre gris-noir de densité 2 à 3,7 suivant son compactage.
Cette poudre, très stable jusqu’à 1 300°C, incombustible, non corrosive et insoluble, est tout à fait comparable à l’oxyde d’uranium naturel présent dans les gisements exploités.
L’uranium appauvri est faiblement radioactif. Sa radioactivité, pour une teneur de 0,3% en 235U est de l’ordre de 16 Bq/mg. Environ 2 mois après sa fabrication, l’uranium appauvri atteint une radioactivité de l’ordre de 41,5 Bq/mg (lorsque sont « à l’équilibre » tous les composants contenus dans cet uranium, c’est-à-dire les descendants de l’Uranium 238 et notamment l’Uranium 234)
4 – L’uranium enrichi
L’uranium enrichi dans le cadre des procédés du cycle du combustible a une teneur en Uranium 235 (235U) de l’ordre de 3 à 5%. L’uranium, après son enrichissement, est converti de sa forme UF6 en dioxyde d’uranium (UO2). C’est cette forme de l’uranium qui entre dans la fabrication des combustibles.
Le dioxyde d’uranium (UO2) est un composé solide, se présentant sous la forme de cristaux noirs. L’uranium enrichi est un peu plus radioactif que les autres formes, principalement du fait de la présence plus importante en Uranium 234. Pour les enrichissements de l’ordre de 3 % (destinés aux centrales nucléaires), l’activité spécifique est de l’ordre de 60 Bq/mg.
5 – L’uranium de recyclage issu du traitement des combustibles usés (URT)
L’URT est issu du traitement des combustibles usés. Comme le montre le tableau ci-dessous, il contient encore une part significative d’235U (de l’ordre de 0,8 à 0,9%). Cet uranium contient aussi des isotopes dont l’uranium naturel est dépourvu :
– 236U qui capture des neutrons lorsqu’il est en réacteur (il est dit « neutrophage »),
– 232U présent en faible proportion mais ayant des descendants très radioactifs (émetteurs gamma intenses).
C’est la présence de ces derniers isotopes qui fait que l’URT ne peut être assimilé à de l’uranium naturel et doit faire l’objet d’une gestion spécifique tout au long du cycle du combustible, avec des lignes industrielles dédiées aussi bien pour son enrichissement, que pour la fabrication de combustible et sa réutilisation en réacteur.
6 – Les autres radionucléides du cycle
En France, lors des opérations de traitement, le plutonium formé lors du fonctionnement des réacteurs est extrait du combustible usé pour être recyclé. Le plutonium ainsi récupéré permet la fabrication de combustible à base d’uranium et de plutonium (aussi appelé combustible MOX). Le traitement des combustibles usés permet également de récupérer les « actinides mineurs37 » et des « produits de fission ». Il s’agit de déchets qui renferment l’essentiel de la radioactivité. Ces actinides mineurs et produits de fission sont vitrifiés (i.e. ils sont conditionnés à l’intérieur de conteneurs métalliques dans une matrice de verre).
7- Le plutonium
Le plutonium est un métal gris, relativement mou, très dense, solide à température ambiante et qui possède un point de fusion relativement bas (640 °C).
C’est un élément chimique artificiel presque exclusivement produit de 1940 à nos jours. Tous les isotopes et composés du plutonium sont toxiques et radioactifs. Le plutonium est un émetteur de rayonnement alpha. Ce type de rayonnement est peu pénétrant car il est facilement arrêté par les parois fines, telle qu’une feuille de papier. Cependant, s’il est inhalé ou ingéré, il irradie directement les cellules des organes qui sont en contact avec lui (ou qu’il a pénétrées).
Sa radiotoxicité est issue de sa forte activité massique, et de la forte énergie de ses émissions alpha (de l’ordre de 5 MeV38). Le dioxyde de plutonium (PuO2) est la forme généralement utilisée pour la manipulation du plutonium. Il s’agit d’une poudre de cristaux noirs.
8 – Les actinides mineurs
Les actinides sont des éléments naturels ou artificiels qui constituent une famille particulière de la classification périodique des éléments (leur noyau compte un nombre de protons supérieur ou égal à 89) L’uranium ou le thorium sont des actinides qui existent à l’état naturel.
Lors de l’irradiation en réacteur, les atomes d’uranium (notamment l’isotope 238) du combustible peuvent capturer un neutron. Ces captures conduisent à une transformation de l’atome : il se forme alors des atomes ayant des noyaux plus lourds, les transuraniens, tels que le plutonium et d’autres actinides dits « mineurs » tels que le neptunium, l’américium et le curium. La qualification de mineurs rend compte du fait que ces éléments sont présents en bien moins grandes proportions que les actinides majeurs : uranium et plutonium.
Leur radioactivité et leur puissance thermique décroît lentement et ils sont donc à l’origine de l’essentiel de radioactivité à long terme des déchets radioactifs. Au plan de la toxicité, les actinides mineurs sont des émetteurs alpha, avec des émissions de forte énergie. Ils présentent le même type de risque vis-à-vis de l’ingestion que le plutonium.
L’uranium naturel est composé de 0,7% d’Uranium 235 fissile. Le reste est de d’Uranium 238 dit fertile c’est-à-dire qu’après capture d’un neutron dans un réacteur nucléaiire, il donnera naissance à du plutonium fissile. L’uranium naturel est utilisable dans les réacteurs des filières gaz-graphite et à l’eau lourde