Tous sur l'uranium
Aujourd’hui, l’uranium est le combustible utilisé dans les réacteurs nucléaires. C’est un métal radioactif qui peut être utilisé comme source abondante d'énergie concentrée. Mais comment créer le combustible nucléaire de ce minerai ? Découvrez les différents étapes de l’amont du cycle du combustible nucléaire.
L'uranium, c'est quoi ?
L’uranium est un minerai présent en quantités importantes sur les cinq continents. C'est un métal radioactif très lourd qui peut être utilisé comme source abondante d'énergie concentrée. Les réserves de minerais connues à ce jour permettent de couvrir la demande mondiale actuelle pendant un siècle. Viennent s’ajouter les réserves estimées qui couvriraient plus de 100 années supplémentaires. L’approvisionnement en uranium est donc garanti sur le long terme, sur le très long terme vu que l’ensemble des réserves peut couvrir plusieurs siècles.
De l'extraction au combustible : les différentes étapes
Avant d’entrer dans la fabrication du combustible, l'uranium va connaître plusieurs transformations. Après son extraction, le minerai est broyé et soumis à des opérations chimiques qui vont permettre de libérer l’uranium. Ce procédé permet d’obtenir un concentré d’uranium sous forme d’une poudre jaune appelée yellow cake. Après une phase de raffinage, le yellow cake va être transformé en un gaz appelé hexafluorure d’uranium. C’est la phase de conversion qui sera suivie par les opérations d’enrichissement. L’hexafluorure d’uranium enrichi sera ensuite envoyé vers l’usine de fabrication des assemblages de combustible. A l’issue de leur fabrication, les assemblages sont acheminés vers la centrale nucléaire où ils seront chargés dans le cœur du réacteur. En règle générale, 2 ans s’écoulent entre l’extraction du minerai et le chargement de l’uranium dans le cœur du réacteur.
L'extraction de l'uranium
L'uranium est contenu dans des minerais dont les gisements se trouvent dans des mines à ciel ouvert ou dans des galeries souterraines. Le minerai d’uranium est régulièrement extrait par coproduction, c’est-à-dire dans une mine contenant majoritairement un autre minerai tel que l’or ou le cuivre par exemple. Les mines d'uranium sont exploitées dans une vingtaine de pays. La moitié de la production mondiale provient d'une dizaine de mines dans six pays : le Canada, l'Australie, le Niger, le Kazakhstan, la Russie et la Namibie.
Charter des exploitants de mines d'uranium
Depuis plusieurs années, les exploitants de mines d’uranium ont intégré les prises de conscience sociétales. La World Nuclear Association a édicté des règles qui déterminent les principes pour gérer les radiations, la santé et la sûreté des mineurs et des populations avoisinantes, la prise en charge des déchets miniers et l’environnement dans son ensemble. Ces principes sont d’application à tous les stades de l’exploitation minière : de l’exploration au développement de la mine, de l’exploitation jusqu’au démantèlement de la mine et la remise en état du site.
En savoir plus sur le charter sur le site web de la World Nuclear Association
La conversion du "yellow cake"
L’uranium est extrait du minerai par une série de procédés qui permettent d’obtenir un uranium très concentré. C’est le yellow cake, une poudre jaune qui contient environ 75 % d’uranium, ou 750 kg d’oxyde d’uranium par tonne. Le yellow cake va ensuite être raffiné afin d’obtenir un uranium pratiquement pur sous forme d’octoxyde d’uranium (U3O8). En vue de son utilisation en réacteur, il va être «raffiné» pour atteindre un degré de pureté de plus de 99,95 %.
Ensuite arrive la phase de conversion qui a pour but de transformer le yellow cake en un gaz appelé hexafluorure d’uranium (UF₆). Ce gaz est ensuite comprimé et refroidi pour atteindre un état liquide. Pour le transport, il est placé dans un conteneur spécial où il sera refroidi jusqu’à atteindre un état solide. Il peut alors être acheminé vers l’usine d’enrichissement.
Yellow cake, c’est sous cette forme que l’uranium est commercialisé. Lorsque l’on parle du prix de la tonne d’uranium sur le marché, il s’agit en réalité du prix de la tonne de yellow cake.
L'enrichissement : augmenter la proportion d’uranium-235
Les procédés utilisés pour enrichir le combustible nucléaire en uranium-235 sont basés sur la différence de masse entre les différents isotopes de l’uranium. Dans l’uranium naturel, on trouve en proportion constante, deux types d’isotopes: l’uranium-238 (plus lourd) et l’uranium-235 présents respectivement à 99,3 % et 0,7 %. Seul l’uranium 235 est fissile, capable de libérer de l’énergie par fission dans les réacteurs nucléaires. Pour qu'un combustible nucléaire puisse être utilisable dans une centrale nucléaire à eau pressurisée, il doit contenir entre 3 et 5 % d'uranium-235 (U-235).
L'enrichissement de l'uranium consiste donc à faire passer la proportion d'uranium-235 de 0,7 % à des valeurs situées entre 3 à 5 %.
Aujourd’hui, l’enrichissement se fait par centrifugation, dans des centrifugeuses montées en série, appelées cascades. Cette technique a complètement supplanté la technique par diffusion gazeuse beaucoup trop énergivore. La recherche s'intéresse également à un procédé d'enrichissement au laser (Separation of Isotopes by Laser Excitation – SILEX), une nouvelle technologie prometteuse qui a pour avantage de consommer peu d’énergie et de réaliser l’enrichissement isotopique en pratiquement un seul passage. Ce procédé est en cours de développement commercial.
La fabrication du combustible
L'hexafluorure d'uranium enrichi est transporté vers une usine où il est converti en poudre d'oxyde d'uranium (UO₂). Cette poudre noire est comprimée pour constituer des pastilles qui seront cuites dans un four à haute température. Les pastilles sont des petits cylindres d’environ 8 g et de 1.3 cm de long. Chaque pastille peut libérer autant d’énergie qu’une tonne de charbon. Les pastilles sont ensuite insérées dans de fins tubes en métal appelés crayons. 254 crayons seront alors nécessaires pour former un assemblage de combustible. Le cœur d’un réacteur tel que Doel 4 ou Tihange 3 est constitué de 157 assemblages de combustible.
Dépendance énergétique à l'uranium
Après l'invasion de l'Ukraine par la Russie et les mesures qui en découlent, on a beaucoup parlé de la soi-disant dépendance de la Russie à l'égard de l'uranium. Celle-ci n'est toutefois pas comparable à la dépendance de l'UE vis-à-vis de la Russie pour le gaz, le pétrole et le charbon.
Il existe de nombreuses alternatives à l'achat d'uranium (enrichi) dans le monde. En 2020, la Russie représentait 20 % de l'uranium importé et 26 % de l'uranium enrichi au niveau européen. Il est donc relativement facile de trouver une alternative à ces importations russes en termes de matières premières pour l'énergie nucléaire.
La densité énergétique élevée de l'uranium permet également de constituer plus facilement un stock important que dans le cas du pétrole, du charbon ou du gaz. La Belgique dispose en permanence d'un stock d'uranium (enrichi) couvrant environ 2 ans. Certains pays de l'UE disposent même d'un stock d'uranium pour 5 à 10 ans. Un stock aussi important est impossible à obtenir avec le charbon, le pétrole et certainement le gaz, en raison des énormes volumes nécessaires. Par conséquent, l'uranium est beaucoup moins dépendant des perturbations du marché dues aux tensions géopolitiques que le charbon, le pétrole ou le gaz.
