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Burn up



Degré d'irradiation et énergie fournie par le combustible

L'énergie fournie par une centrale nucléaire est en proportion de l'irradiation subie par le combustible dans le cœur du réacteur : le « burn-up » en anglais. Une tonne d'uranium est capable d'alimenter en d'électricité une ville de 50 000 habitants pendant 3 ans. L'énergie dégagée est de 33 Gigawatt-jours (792 millions de kilowatt-heures) par tonne dans les conditions standard d’exploitation d'un réacteur REP. Les compagnies d’électricité utilisent pour décrire la production de leurs centrales le gigawattjour plutôt que le kilowattheure. Un gigawatt-jour équivaut à 24 millions de kilowattheures, 1 million de kilowatts pendant 24 heures.

Influence du burn-up sur la composition du combustible
Comparaison de la composition en sortie de réacteurs de deux combustibles enrichis à 3,5 et 4,95 % en uranium-235 après qu'ils aient fourni une énergie de 33 et 60 GWJ, par tonne de combustible (UO2) initial.
IN2P3 (source CEA)

Au fur et à mesure que le combustible fournit de l’énergie, il s’appauvrit en uranium-235 fissile. Il vient un moment où il faut le sortir du réacteur. Les producteurs d'électricité et les ingénieurs cherchent à retarder ce moment pour augmenter la production d'énergie et donc le burn-up. On peut atteindre cet objectif en enrichissant davantage le combustible en uranium-235. Mais pour que les gaines du combustibles supportent une irradiation prolongée il faut renforçer la tenue des gaines à l'irradiation.

La composition du combustible à la sortie du réacteur dépend du burn up, comme le montre l'exemple ci-dessus comparant la composition de deux combustibles usés, le premier enrichi à 3,5 % ayant produit 36 Gigawattjours/tonne, le second enrichi à 4,95 % ayant fourni 60 Gigawattjours par tonne.

Le second combustible a généré 88 % d’énergie en plus. Ce quasi doublement du « burn-up » se traduit par une augmentation en proportion des produits de fission et des actinides. Par contre, le plutonium n’augmente que de 27 %. En effet, plus le combustible séjourne longtemps en réacteur, plus le plutonium qui se forme en son sein a le temps d’être consommé par fission. Ce plutonium consommé contribue à la production d’énergie.

Effets d'une augmentation du taux de combustion (burn up)
La figure montre les effets d'une augmentation du passage en réacteur pour une même quantité d'énergie fournie égale. On compare ici la composition en sortie de réacteur d’un combustible ayant fourni 60 GWJ/tonne et d’un combustible standard à 33 GWJ/tonne. Ces teneurs sont ramenées à une même énergie fournie de 1 GWJ (GigaWatt-Jour). A production d’énergie égale, la quantité d’uranium 235 fissile brûlé et de produits de fission générés sont pratiquement les mêmes. Par contre, on retrouve 30 % de plutonium en moins et le résidu de matières fissiles non brûlées (U-235 et Pu-239) a diminué de 44 %.
Source CEA

Les irradiations de longues durées (4 ans et plus) sont intéressantes pour l'exploitation des centrales, car elles consomment à énergie égale moins d’uranium-235 et produisent moins de plutonium. Elles sont de plus en plus pratiquées par des compagnies comme EDF qui comptent sur elles pour réduire leur stock de plutonium.

Progrès techniques permettant d'augmenter le burn-up
Des progrès techniques permettraient d'augmenter le degré d'irradiation du combustible nucléaire. Les alliages de zirconium utilisés pour la gaine de combustibles (mesures en rouge) subissent en présence d’eau une oxydation qui augmente fortement au delà d'un burn-up de 50 Gwj/T, ce qui limite le temps de séjour du combustible en réacteur et la performance énergétique du réacteur. Des alliages de gaine améliorés (mesures en bleu) permettraient de réduire considérablement l'épaisseur de la couche d'oxydation (donc de la corrosion) et d'aller plus loin dans le burn-up.
AREVA/Framatome

Certaines limitations empêchent de pousser très loin le « burn-up » dans le cas des réacteurs à eau. Au-delà de 50 Gigawatt-jour/tonne, il faut d'autres alliages que le zircaloy-4 pour éviter la corrosion des gaines dans l'eau et le dégagement de produits de fission gazeux radioactifs. On commence à observer des déformations de la structure des assemblages, avec un risque de coincement des barres de contrôle.