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Combustible nucléaire usé



Les caractéristiques du combustible usé des réacteurs

Le combustible usé très radioactif des réacteurs nucléaires joue un rôle central dans la gestion des déchets radioactifs. Sa composition détermine pour beaucoup cette gestion.

Les composantes du combustible irradié
Une tonne de combustible séjourne en général trois ans en réacteur durant lesquels l'irradiation libère une très grande quantité d'énergie. Alors que l'uranium 238 ressort en grande partie intact, 25 kg sur les 35 kg d'uranium-235 initial ont fissionné. On retrouve par ailleurs 34 kg de produits de fission, 10 kg de plutonium et 800g d'actinides. Tous les produits nouvellement formés sont très radioactifs.
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La quantité des matières irradiées produites par les réacteurs est modeste en termes de volume ou de masse. Elle s’élève en France à environ 1 kilogramme par an et par habitant, dont seulement quelques grammes sont des déchets de haute activité, à comparer à 2,5 tonnes de déchets industriels ou à 6,6 tonnes de dioxyde de carbone rejetés directement dans l'atmosphère. En 2020, le volume accumulé des déchets vitrifiés responsables de 98% de l’activité des déchets de l’inventaire national, atteindra 4000 m3 et pourrait tenir – si cela était possible - dans un cube de 16 m de côté.

On extrait environ 23 tonnes de combustible usé du cœur d’un réacteur à eau pressurisée, quand son combustible est renouvelé par tiers chaque année. Au total, sur l’ensemble du parc des 58 réacteurs français, 1200 tonnes sont déchargées, dont 850 seront retraitées et 350 entreposées. Parmi les 350 tonnes, 135 sont constituées de MOX usé.

Le passage en réacteur du combustible génère des produits radioactifs très variés. Dans les conditions normales d’exploitation, un assemblage de combustible usé contient 94% d’uranium et environ 1% de plutonium, matériaux qui possèdent un potentiel énergétique important. Les 4 % restants se répartissent entre :Des produits de fission (environ 4%) dont 0,3% d’éléments à vie longue et 0,2 % d’éléments à vie moyenne. Des actinides mineurs (environ 0,1%) : américium, curium, neptunium, Des produits d’activation, formés par la capture de neutrons dans les matériaux de structure (grilles de support, coques, et embouts des gaines qui enrobent les pastilles de combustible). Leur contribution est relativement secondaire.

Radioéléments dans le combustible irradié
Le combustible usé est l’un des systèmes les plus complexes qui soit en raison de la diversité des éléments qui le composent. La plupart des atomes radioactifs sont piégés par les pastilles d'oxyde d'uranium à l'intérieur des crayons de combustible irradié. Quelques produits de fission gazeux ou mobiles (césium, iode,, technétium, tritium, etc.) se retrouvent dans les jeux entre les pastilles et la gaine. Le rôle de la gaine est d'empêcher les fuites.
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Le potentiel énergétique de l’uranium et du plutonium encore présents dans le combustible usé est impressionnant. Ramené à une assemblage de 500 kg, ce potentiel est d’environ 10 000 tonnes de pétrole avec des réacteurs du parc actuel. Il serait de plusieurs centaines de milliers de tonnes de pétrole avec des réacteurs surgénérateurs.

Les produits de fission sont les fragments du noyau d’uranium qui a fissionné, des fragments très instables et donc radioactifs. Le retour vers la stabilité prend un temps extrêmement variable. L’ultime étape, l’arrivée au noyau stable, va de la seconde à des milliers d'années. Une partie des produits de fission n'a pas encore atteint la stabilité, quand on décharge le combustible usé du réacteur. L’activité des produits de fission a presque disparu en 300 ans. Au delà subsiste un résidu de produits de fission à vie longue.

Le plutonium et les actinides mineurs sont dus à des fissions qui ont échoué, des noyaux d'uranium qui ont capturé des neutrons sans se scinder en deux. Ces noyaux lourds possèdent des durées de vie généralement très longues. La radiotoxicité de ces noyaux lourds est 100 à 10 000 fois supérieure à celle des produits de fission, mais ils sont peu mobiles et ont peu de chances d’être ingéré ou inhalé.

Un dernier aspect important pour la gestion des déchets est la chaleur dégagée par les désintégrations radioactives. Un colis de déchets vitrifiés d’environ 150 litres, dégage initialement 3000 watts, 170 watts après 100 ans et moins de 30 à 300 ans. Il faut prévoir d’ évacuer cette chaleur.