Combustible nucléaire

Moins de 10 pastilles sont nécessaires pour alimenter le ménage canadien moyen pendant un an. (10 piles AA alimenteraient-elles votre maison pendant un an?) La production de la même quantité d’électricité qu’une pastille d’uranium nécessiterait 400 kilogrammes de charbon, 410 litres de pétrole ou 350 mètres cubes de gaz naturel.

Le cycle du combustible nucléaire désigne la transformation de l’uranium de minerai en combustible nucléaire et le traitement des déchets.

Extraction de l’uranium

Minerai d’uranium

L’uranium se trouve naturellement dans la croûte terrestre. Il est presque aussi répandu que l’étain et 500 fois plus abondant que l’or. On trouve des traces d’uranium naturel dans tous les sols et roches, rivières et océans, ainsi que dans les aliments et les tissus humains.

Extraction de l’uranium au Canada

La plus grande partie de l’uranium canadien est extraite dans le bassin de l’Athabasca, dans le nord de la Saskatchewan, qui possède certains des gisements d’uranium les plus riches au monde, avec des concentrations plus de 100 fois supérieures à la moyenne mondiale. Il y a également des réserves inexploitées d’uranium dans les Territoires du Nord-Ouest, au Nunavut, en Ontario et au Québec.

Certains de ces gisements sont proches de la surface et peuvent être extraits grâce à des techniques à ciel ouvert. D’autres gisements se trouvent plus en profondeur et nécessitent des techniques d’exploitation minière en roche dure.

Procédés d’extraction de l’uranium

Le minerai d’uranium est extrait du sol de l’une des trois façons suivantes : extraction à ciel ouvert, extraction souterraine ou récupération in situ.

• Extraction à ciel ouvert
  Lorsque le minerai d’uranium est proche de la surface, généralement à moins de 100 mètres de profondeur, il est généralement extrait grâce au procédé d’extraction à ciel ouvert.
• Extraction souterraine
  Lorsque le minerai est situé à plus de 100 mètres sous la surface, les procédés d’extraction minière souterraine sont plus économiques que l’extraction minière à ciel ouvert.
• Récupération in situ
  Dans quelques endroits, l’uranium peut être dissous directement à partir du minerai, en pompant des solutions minières sous terre, en les ramenant à la surface et en extrayant l’uranium dissous.

Concentration de l’uranium

Le minerai est broyé et mélangé à de l’eau de manière à obtenir une boue qui peut être acheminée à travers une série de circuits de concentration. De l’acide est ajouté à la boue pour séparer l’uranium des autres minéraux présents dans la roche d’accueil. Cette solution riche en uranium est ensuite purifiée, solidifiée et séchée pour former un concentré de minerai d’uranium (U₃O₈).

Raffinage et conversion de l’uranium

Blind River, en Ontario, abrite la seule installation canadienne de raffinage de l’uranium. Détenue et exploitée par Cameco, elle est la plus grande au monde. Sur ce site, le concentré de minerai d’uranium est séparé des impuretés par une série de procédés chimiques, notamment la digestion, l’extraction par solvant et la dénitration. Ces procédés de raffinage produisent un trioxyde d’uranium (UO₃) très pur. L’UO₃ est la matière première pour les prochaines phases du processus de fabrication du combustible.

Pour les réacteurs à eau lourde CANDU, le procédé de conversion de l’uranium consiste à convertir l’UO₃ en dioxyde d’uranium (UO₂). Ce procédé a été mis en œuvre à Port Hope, en Ontario, dans la seule installation canadienne de conversion de l’uranium. On ajoute de l’acide nitrique et de l’ammoniac à l’UO₃, qui est ensuite introduit dans un four spécial fonctionnant en atmosphère réductrice pour empêcher que plus d’oxygène ne se mélange aux pastilles. La poudre d’UO₂ de qualité céramique qui en résulte peut être transformée en pastilles destinées à être utilisées dans des grappes de combustible CANDU.

Pour les réacteurs à eau légère, le procédé de conversion consiste à ajouter du fluor au UO₃ pour obtenir de lhexafluorure d’uranium (UF₆). L’UF₆ est le seul composé de l’uranium qui puisse exister sous forme gazeuse, solide ou liquide selon la température et la pression. C’est cette caractéristique qui fait que l’UF₆ se prête à l’enrichissement. La plupart des réacteurs nucléaires commerciaux en exploitation dans le monde ont recours à de l’uranium enrichi comme combustible.

Enrichissement

L’uranium naturel a une concentration trop faible d’uranium 235, son isotope radioactif, pour les réacteurs à eau légère. Pour ces réacteurs, l’enrichissement de l’uranium fait passer la concentration de l’uranium 235 de 0,7 % à environ 3 % à 5 %. L’enrichissement consiste à séparer les atomes de l’uranium 235, plus légers, des atomes d’uranium 238, plus lourds et plus communs.

Deux procédés d’enrichissement commerciaux sont utilisés aujourd’hui :

• La diffusion gazeuse consiste à faire passer le gaz UF₆ à travers des membranes. Étant donné que l’uranium 235, plus léger, est un peu plus susceptible de traverser la membrane, il est possible de séparer une partie de l’uranium 238, plus lourd, en utilisant de nombreuses membranes, et ainsi produire de l’UF₆ avec une plus forte concentration d’atomes d’uranium 235.
• La centrifugation gazeuse consiste à faire tourner très rapidement des cylindres contenant de l’UF₆, ce qui projette les atomes d’uranium 238, plus lourds, vers l’extérieur de la centrifugeuse, tandis qu’une concentration légèrement plus élevée d’atomes d’uranium 235 reste au centre. Cette partie du gaz est récupérée et le procédé est répété plusieurs fois.

Les réacteurs CANDU n’utilisent pas d’uranium enrichi.

Fabrication du combustible

La fabrication du combustible commence par la compression de la poudre d’UO₂ naturel ou enrichi dans des petites formes cylindriques, mesurant environ 10 à 13 millimètres de long et 8 à 13,5 millimètres de diamètre. Trois de ces cylindres mis bout à bout ressembleraient à une pile AA, bien qu’ils soient beaucoup plus denses, donc un seul de ces cylindres aurait à peu près le même poids que la batterie. Ces pastilles sont ensuite cuites à haute température (1600 à 1700 °C), ce qui les rend plus solides et les densifie encore davantage.

Les surfaces des pastilles sont ensuite meulées et finies à des dimensions précises pour que ces dernières puissent être insérées dans les grappes de combustible.

Pour les réacteurs CANDU, les pastilles de combustible d’uranium naturel sont chargées dans des tubes en alliage de zirconium de 28 ou 37 un demi mètre de long, qui sont ensuite regroupés dans une grappe de combustible cylindrique. Cette grappe est de la taille d’une bûche de foyer mais fournit suffisamment d’électricité pour 100 foyers pendant 18 mois.

Les grappes de combustible sont chargées dans des canaux de combustible horizontaux, également appelés tubes de force, qui s’étendent sur toute la longueur de la cuve du réacteur (appelée calandre). Environ une douzaine de grappes sont chargées dans chaque canal, selon le modèle de CANDU. Un réacteur CANDU de 790 mégawatts contient 480canaux, 5760 grappes et plus de 5 millions de pastilles de combustible. L’ensemble de ce système fournit ensuite l’électricité nécessaire à 500 000 familles.