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Le combustible nucléaire



Un concentré d’énergie à base d’uranium-235

Des matières fissiles comme l’uranium-235 et le plutonium-239 sont des extraordinaires concentrés d’énergie. Un gramme de ces matières peut libérer autant d’énergie qu’une tonne de pétrole !

Le combustible introduit dans le cœur d'un réacteur nucléaire contient ces deux isotopes fissiles à même de produire de l’énergie. La qualité du combustible, en particulier la teneur en uranium-235 et plutonium-239, détermine pour beaucoup le fonctionnement et la conception d'un réacteur.

Assemblage de combustible
Assemblage sous eau de combustible de réacteur à eau pressurisée (REP). On aperçoit les gaines enrobant les pastilles d’oxyde d’uranium empilées à l’intérieur de longs «crayons». Le tout est maintenu ensemble pour constituer un assemblage mesurant environ 4 ,50 m de long et pesant une demi-tonne.
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Les combustibles les plus répandus sont à base d'uranium. L'uranium-235 est en effet le seul noyau aisément fissile existant à l'état naturel. On ne le trouve qu'en petite quantité (0,7 %) dans les minerais d'uranium naturel. Bien que des réacteurs aient fonctionné dans le passé avec de l’uranium naturel, on a recours maintenant à l’enrichissement, une opération qui consiste à augmenter la proportion d’uranium-235.

L'enrichissement en isotope 235, techniquement complexe et onéreux, a atteint le stade industriel depuis les années 1960.

Configuration d’un coeur de réacteur
Configuration d’un cœur de réacteur à eau pressurisée dans le cadre d’études sur le recyclage du plutonium. La carte montre la répartition des éléments de combustible MOX contenant du plutonium (en bleu) parmi ceux contenant simplement de l’uranium enrichi.
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Les réacteurs conventionnels produisent en quantités relativement importantes du plutonium-239 fissile qui peut être introduit dans le combustible neuf. Cette régénération de matière fissile augmente le potentiel de production d'énergie des réacteurs.

Ainsi, le retraitement des déchets nucléaires permet depuis quelques années d'enrichir le combustible avec du plutonium, et de le recycler. Cette possibilité est utilisée depuis quelques années avec un combustible hybride, le MOX.

Le combustible est introduit dans le cœur du réacteur sous forme de pastilles d'oxyde d'uranium (UO2) empilées dans des gaines en alliage de zirconium et arrangées en crayons. On utilise l'uranium sous forme d'oxyde plutôt que de métal en raison d'une meilleure tenue à la température.

Au fur et à mesure qu’il produit de l’énergie, le combustible s'appauvrit en éléments fissiles (*). Il faut modifier la marche du réacteur pour en tenir compte. Au bout de trois à 4 ans, le combustible est devenu trop pauvre en matière fissile. On remplace le combustible usé par du combustible neuf par tiers ou par quart tous les ans.

Dans les réacteurs d'aujourd'hui, les matières fissiles sont introduites au sein de combustibles solides, comme les pastilles d'oxyde d'uranium des réacteurs REP. L'option d'introduire ces matières fissiles au sein d'un milieu liquide, comme des sels fondus, est possible. L'alternative a été expérimentée au laboratoire d'Oak Ridge avec des résultats probants dans les années 1960 aux USA. Elle est envisagée dans le cadre des recherches sur les réacteurs de quatrième génération. Le recours aux combustibles liquides offrirait en principe des avantages. Par exemple il ne serait pas nécessaire d'arrêter les réacteurs pour les recharger, la production de déchets à longue durée comme les actinides mineurs serait réduite, un retraitement en ligne débarrasserait le cœur du réacteur d'une grande partie de sa radioactivité diminuant les conséquences d'un accident.