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ENERGIE - L'uranium, c'est quoi ?
ENERGIE - L'uranium, c'est quoi ?

L'uranium, c'est quoi ?

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.

Minerai d'uranium

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. 

Pour pouvoir être utilisé dans un réacteur nucléaire il devra passer par 4 grandes étapes qui constituent l’aval du cycle du combustible nucléaire :

  • l’extraction du minerai et la concentration sous forme de yellow cake ;
  • la conversion ;
  • l’enrichissement ;
  • la fabrication des pastilles de combustible.

En Belgique, c’est la société Synatom qui assure l’approvisionnement en uranium des centrales de Doel et de Tihange. 

Comment la Belgique s’approvisionne-t-elle en uranium ?

En Belgique, c'est l'entreprise SYNATOM  qui couvre tout le cycle du combustible nucléaire à l’exception de la fabrication du combustible et de l’utilisation dans le cœur des réacteurs. Ces deux étapes sont de la responsabilité de l’exploitant des centrales Engie Electrabel. Synatom est dès lors active sur le marché des concentrés d’uranium. Chaque année, elle achète de l’ordre de 1 000 tonnes.

Plus d'infos sur le site web de Synatom.

L'uranium dans l'assemblage

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. 

Énergie

La centrale nucléaire de Doel

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La centrale nucléaire de Doel est située au nord d’Anvers sur la rive gauche de l’Escaut. Elle comprend 4 réacteurs à eau pressurisée (PWR). En savoir plus

Énergie

La centrale nucléaire de Tihange

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La centrale nucléaire de Tihange se situe le long de la rive droite de la Meuse, non loin de la ville de Huy. Trois réacteurs nucléaires PWR (réacteurs à eau pressurisée) se trouvent sur le site. En savoir plus

Énergie

Comment fonctionne une centrale nucléaire ?

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Une centrale nucléaire peut être comparée à une machine à vapeur. Elle chauffe l’eau qui, à son tour, fait tourner une dynamo géante qui génère de l’électricité. Mais, contrairement à une machine à vapeur, l’échauffement de l’eau se fait au moyen de matières fissiles, donc sans combustion. En savoir plus

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. Les Etats-Unis, la Chine, l'Ukraine et l'Ouzbékistan sont également des producteurs importants. La demande mondiale en uranium s’est élevée en 2017 à environ 62 000 tonnes de concentré d’uranium. 

Une nouvelle technologie d'extraction, appelée "lixiviation in situ", est actuellement utilisée dans plus de la moitié des mines du monde. Cette extraction par dissolution est réalisée sans perturbation majeure du sol. Le procédé consiste à injecter de l'eau fortement oxygénée qui circule dans le minerai et permet d'en extraire l'uranium par pompage, directement dans le gisement.

La vidéo ci-dessous montre l'extraction d'uranium dans une mine ciel ouvert.

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 %.

Esuite 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. 

Yellow cake (source : Synatom)

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. 

Chaque pastille de 7 grammes peut libérer autant d’énergie qu’une tonne de charbon.

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 7 g et de 1 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 3 ou Tihange 3 est constitué de 157 assemblages de combustible.

Des réserves d’uranium pour plusieurs siècles

Le minerai d’uranium est une ressource naturelle abondante. Les réserves directement disponibles à des coûts d’exploitation acceptables, couvrent 100 ans des besoins actuels. En effet, les réserves d'uranium exploitables à un coût inférieur à 130 USD par kg s’élèvent à un peu moins de 6 millions de tonnes, soit l’équivalent d’un siècle de la consommation mondiale actuelle. L’Australie possède à elle seule 29% des réserves, pour 13% au Kazakhstan et  9% à la Russie et au Canada.

À ces ressources couvrant un siècle, viennent s’ajouter les réserves exploitables à un coût inférieur à 260 USD par kilo. Elles sont évaluées à plus de 7,5 millions de tonnes, ce qui correspondrait à 120 années de la consommation mondiale.


En savoir plus sur les réserves sur le site web de l'OCDE. 

Téléchargez la carte ci-dessous sur le site web de l'Agence international de l'énergie atomique (AIEA).

Les réserves d'uranium dans le monde (source : AIEA)

Sources : Synatom, AIEA, OECD-NEA, Orano.

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