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Composition combustible usé



Quelques données importantes...

La composition du combustible irradié extrait du cœur d’un réacteur dépend de la quantité initiale de matière fissile et de l’énergie qui en a été extraite. Nous prendrons l’exemple d'un réacteur conventionnel REP de 1 Gigawatt de puissance électrique, représentatif du parc électronucléaire français , chargé avec de l'uranium enrichi à 3,5 %. Une tonne de combustible neuf contient 965 kg d'uranium-238 et 35 kg d'isotope 235 fissile.

Composition d'un combustible usé
Répartition (en kg par tonne de combustible) et masse produite des principaux éléments radioactifs retrouvés lors de la décharge d’un cœur irradié d'un réacteur à eau pressurisée.
(Source : Isabelle Billard). © IRes/IN2P3

Lors du déchargement, l’uranium-238 est à peine entamé : le combustible en contient encore 941 kg. Des 35 kg d’uranium-235 qui ont servi à produire de l’énergie électrique produite par le combustible, il ne subsiste que 10 kg. Il reste donc à peu près 1 % d'isotope 235 fissile, plus que dans l'uranium naturel (0,7 %) et il peut être intéressant d’enrichir cet uranium usé afin de le recycler.

L’irradiation du combustible a également généré trois catégories d’éléments :

- 1) des produits de fission à raison d’environ 33kg par tonne de combustible. Ils proviennent de la fission de l'uranium-235 et de celle du plutonium formé durant l’irradiation. Une partie des produits de fission a atteint la stabilité quand le réacteur est déchargé, mais le reste est très radioactif.

- 2) Des actinides, noyaux plus lourds que l’uranium obtenus lorsque l’uranium capture un ou plusieurs neutron sans fissionner. On retrouve ainsi presque 10 kg de plutonium, soit environ 1 % en masse. L'isotope 239, fissile, est le plus abondant (5,7 kg). Les actinides autres que le plutonium (neptunium, américium, curium) sont moins abondants, à raison d'environ 800 grammes au total par tonne de combustible. On les appelle actinides mineurs. Le principal actinide mineur est le neptunium-237.

- 3) Les produits d’activation issus de l’irradiation des matériaux situés dans les parties chaudes du réacteur, en particulier, les éléments métalliques de structure, les grilles de support et les gaines qui enrobent les pastilles de combustible. Les produits d’activation sont radioactifs, mais ils ont presque tous une période courte. De plus, on peut en limiter la quantité en choisissant avec soin les éléments présents dans ces structures. On a mis par exemple au point des nuances d’acier au zirconium, où l’on minimise la teneur en cobalt, ce qui réduit la formation de cobalt-60, très radioactif.

Composition détaillée
Répartition des principaux éléments radioactifs retrouvés lors de la décharge du coeur irradié d'un réacteur à eau pressurisée dans des conditions standards (burn-up de 33 GWJ/T), ramenée à une tonne de combustible (colonne de gauche) et aux 23 tonnes utilisées par an de ce réacteur (colonne de droite). Sur les 31,1 kg de produits de fission à vie courte et moyenne, la majorité deviendra stable après d'une dizaine d'années, ne laissant essentiellement qu'environ 0,1 kg de strontium-90 et 0,1 kg de césium-137, deux radioéléments de 30 années de période radioactive.
IN2P3 (Source CEA)

La majorité des produits de fission possèdent une période radioactive courte et deviennent stables au bout de quelques années. Deux produits de fission à vie moyenne , le strontium-90 et le césium-137 possèdent des périodes radioactives d'une trentaine d'années. Enfin une poignée de produits de fission qui possèdent des périodes très longues disparaissent très lentement mais en conséquence sont peu actifs. La plupart des actinides disparaissent aussi lentement.

En 2000, 220 000 tonnes de combustible irradié avaient été déchargées des réacteurs à l'échelle mondiale, parmi lesquelles 1400 tonnes de plutonium et des quantités substantielles d'actinides et de produits de fission. Chaque année, dans le monde, le total de ces matières s'accroît de 11 000 tonnes dont 70 de plutonium.