Cycle #3 Conversion et enrichissement de l’uranium

Publié le par Tristan Kamin

Retrouvez le thread initial ici.

Nous en étions donc restés, après l’article précédent, avec 7000 tonnes-métal-lourd d’uranium concentré qui convergent chaque année de tous les continents vers la France, pour satisfaire notre appétit énergétique.

Combustible et énergie

Avant de parler cycle, quelques ordres de grandeur autour de ce tonnage. 7000 tonnes, à l’échelle individuelle, ça peut nous paraître énorme, alors il me paraît pertinent de les recontextualiser à l’échelle du pays. Par ailleurs, certains pourraient être effrayés par les transports de matières dangereuses, dont ces 7000 tML d’uranium. Ou pourraient trouvé rédhibitoire de devoir importer une telle quantité. Alors relativisons.

7000 tML d’uranium, ça fait 8 300 tonnes importées sous la forme d’U3O8.
À comparer à notre consommation de ressources énergétiques fossiles, qui s’élevait en 2017 à :

  • 76 900 000 tonnes de pétrole ;
  • 29 400 000 tonnes de gaz ;
  • 13 600 000 tonnes de charbon

Il y a un saut de plusieurs ordres de grandeur. À parts assez similaires dans le mix énergétique primaire français, le tonnage de ressources fossiles est de l’ordre de la centaine de millions de tonnes, là où le tonnage d’uranium est de l’ordre de la dizaine de milliers de tonnes.

Ceci étant posé, revenons au traitement de l’uranium. Vous le savez probablement, pour alimenter nos REP en uranium, il faut au préalable enrichir celui-ci.
On parlera plus tard d’enrichissement, mais à ce stade, il faut savoir qu’afin d’enrichir l’uranium, il faut que celui-ci soit sous forme gazeuse.

Conversion

L’uranium, on le reçoit soit sous forme de yellowake, soit sous forme de poudre d’U3O8. Une forme très pratique pour le transport, mais alors on est loin de la forme gazeuse. Et l’U3O8, à pression atmosphérique, il faut déjà le chauffer à 1200 °C pour le liquéfier, alors la forme gazeuse, n’en parlons pas (en vérité, elle n’existe pas : la molécule change spontanément avant de l’atteindre). Quant au yellowcake, le point de fusion est à 1600 °C.

Bref : enrichir des gaz radioactifs, probablement très réactifs chimiquement et portés à 2000°C, ça ne tente personne. Donc il faut changer cette forme chimique, et alors arrive la conversion.

La forme chimique gazeuse retenue pour procéder à l’enrichissement, c’est l’hexafluorure d’uranium : UF6. Solide à température et pression ambiante, mais gazeux à 60°C, donc une température très raisonnable en procédé industriel.

L’UF6 a d’autres, hem… Qualités amusantes :

  • radioactif, évidemment, mais pas trop, puisque ça reste de l’uranium, naturel ou faiblement enrichi ;
  • hautement toxique ;
  • ultra réactif à l’eau : il suffit d’une atmosphère humide pour déclencher une réaction chimique violente et immédiate.

Outre un composé fluoré à base d’uranium, cette dernière réaction libère des quantités abondantes d’acide fluorhydrique. Très toxique, et vaguement agressif : du genre à dissoudre le verre.

Bref, l’UF6 , c’est charmant à manipuler.
Du coup, on y va progressivement : l’uranium concentré acheminé à l’usine de Malvési, dans l’Aude, est fluoré une première fois pour former du tétrafluorure d’uranium, UF4 , sous forme de cristaux verts.

C’est d’ailleurs la seule étape où l’uranium est vert, tel que le présente souvent la culture populaire.

L’UF4 aussi, en présence d’eau, il s’oxyde en formant du HF, mais c’est une réaction lente, qui le rend assez facile à gérer. 

Enrichissement

C’est donc sous cette forme qu’il est acheminé de Malvési vers l’usine Comurhex II (fraîchement inaugurée par Orano et rebaptisée « Usine Philippe Coste ») sur le site nucléaire du Tricastin, dans la Drôme.

C’est là qu’il est fluoré à nouveau pour former l’UF6 et être transporté à l’usine d’enrichissement à proximité, toujours sur le site du Tricastin. 

Pour l’enrichissement, tout le monde a probablement déjà entendu parler des centrifugeuses, notamment grâce à l’Iran.
Ce qui est moins connu, c’est qu’en France, l’enrichissement, jusqu’en 2011, ne se faisait pas par ultracentrifugation, mais par un procédé dit de « diffusion gazeuse ».
Que je ne vous expliquerai pas 😋
Mais ce qu’il faut savoir, c’est qu’il consomme ÉNORMÉMENT d’électricité : entre deux et trois des quatre réacteurs de la centrale nucléaire adjacente étaient dédiés à alimenter l’usine d’enrichissement !
Celle-ci, nommée usine Georges-Besse exploitée par la société Eurodif, avait cependant une capacité de production d’uranium enrichi pour l’équivalent d’environ 100 réacteurs, en France et dans le monde, donc.
Ce procédé produisait aussi énormément de chaleur. Les deux tours aéroréfrigérantes de la centrale du Tricastin, visibles depuis l’autoroute A7 sont en réalité des tours de refroidissement de cette usine, pas de la centrale.

Le démantèlement de l’usine produira, entre autres, 150 000 tonnes d’acier très faiblement contaminé : des débats sont à attendre sur la possibilité de recycler cet acier, moyennant éventuellement décontamination, plutôt que de tout traiter en déchet radioactif comme la loi l’exige.
Une histoire de seuil de libération (qui n’existe pas en France) évoqué par @AStrochnis ici :

Aujourd’hui, l’enrichissement, on le fait par ultracentrifugation. Le principe est à priori simple : on fait tourner un volume d’UF6 à très haute vitesse, et, par effet centrifuge et par convection, l’uranium 238, plus lourd que l’uranium 235, se retrouve préférentiellement en périphérie.

En faisant ça avec des dizaines ou centaines de centrifugeuses en cascade, on finit par avoir un bon taux de séparation des deux isotopes.

Et ce procédé, outre une modularité plus grande permise par le système de cascades de centrifuge, a un intérêt énorme en termes de consommation électrique. L’usine Georges-Besse II, où il est mis en œuvre, consomme 50 à 60 fois moins d’électricité pour une production d’uranium enrichi inférieure d’environ un tiers à celle de la première usine (autrement dit, elle est adaptée à notre parc nucléaire, sans guère de surplus pour l’export).

Suppléments d’illustration

Suite à la rédaction de ce thread, j’ai constaté que je disposais, via mon cours de Cycle du Combustible, d’un certain nombre d’illustrations, et notamment de photographies des installations citées.

Ce cours est d’ailleurs accessible publiquement.

Je vous invite à retrouver les photographies et leurs légendes directement dans le thread, dans le tweet ci-dessous et les 5 suivants.

Niveaux d’enrichissement

Il faut savoir que lorsqu’on enrichit, on produit évidemment de l’uranium enrichi, et aussi de l’uranium appauvri. Or, l’uranium n’est pas appauvri à 0% d’uranium 235 (qu’on appellera U5 dans la suite).

Et les teneurs en U5 des deux flux d’uranium en sortie de l’usine ont énormément d’importance !

Bon, la teneur dans l’enrichi, c’est une demande du client, EDF, qui a besoin de X % pour ses réacteurs, pas autre chose.
3 à 5% selon les réacteurs et les modes de gestion du combustible.

Par contre, la teneur en U5 dans l’appauvri…Rappelez-vous qu’initialement, notre uranium naturel compte 0,7% d’U235. Et quand on l’appauvri ? Entre 0,2% et 0,3%, en général.

Et c’est là l’astuce : à enrichissement fixé, on peut avoir plusieurs niveaux d’appauvrissement.

La logique, c’est que si on se fatigue pas trop à appauvrir, on va consommer davantage d’uranium naturel.
Si on pousse vraiment l’appauvrissement, on va économiser de l’uranium… Mais l’enrichissement va coûter plus cher ! C’était d’autant plus vrai avec la diffusion gazeuse, en raison de la consommation d’énergie, mais c’est un raisonnement toujours applicable avec l’ultracentrifugation.

Pour illustrer, quelques chiffres.

Pour produire 1000 tML d’uranium enrichi à 4%, si on appauvrit à 0,3% d’U5 l’uranium naturel, on en consomme 9 000 tonnes (et donc on se retrouve avec 8000 tonnes d’appauvri).

Par contre, si on pousse les centrifugeuses jusqu’à ce que l’appauvri tombe à 0,2%, on n’a besoin que de 7400 tonnes d’uranium naturel. 18% d’économie !

En contrepartie, le travail d’enrichissement est 24% plus intense et coûteux.

Il y a donc perpétuellement un travail d’équilibre économique à assurer entre le coût de l’uranium naturel et le coût de l’enrichissement. 
Quand l’uranium naturel ne coûte rien, comme en ce moment, on en consomme énormément, et on économise beaucoup sur l’enrichissement.
Par contre, si le prix de l’uranium devait commencer à grimper, on pourrait compenser un peu, en réduisant notre consommation d’uranium naturel, à consommation d’enrichi égale, juste en enrichissant davantage. 

Cet aspect rend compliqué d’estimer la durée que peuvent assurer les réserves d’uranium mondial, tout dépend du coût ! Et ça, on en parlait dans cet article.

Devenir de l’uranium appauvri

On était partis dans un « cycle » avec, en entrée, 7000 tML d’uranium naturel. Typiquement, on va en tirer 1075 tML d’U enrichi, et le reste d’appauvri.

Cet appauvri, on va soit le re-convertir en U3O8 en l’entreposer à Bessines (79) ou au Tricastin, soit le garder sous la forme d’UF6 dans des conteneurs très soigneusement étudiés pour, entreposés au Tricastin.

Et vous noterez que je parle d’entreposage, pas de stockage. En effet, l’appauvri n’est pas considéré comme un déchet à ce jour : on va, déjà, en consommer une petite partie dans le procédé de recyclage, mais, surtout :

  • On peut toujours le ré-enrichir, en poussant par exemple l’appauvrissement de 0,3% à 0,2%, si on se retrouvait en difficultés d’approvisionnement en uranium (on parle de « réserve stratégique »)
  • On pourrait entièrement le consommer en réacteurs surgénérateurs. Le stock actuel d’Orano en France, il est de 310 000 tML d’uranium appauvri.

Avec des réacteurs surgénérateurs (lesquels n’existent pas à ce jour à échelle industrielle, mais la faisabilité a déjà été démontrée), ce sont des siècles, voire des millénaires de consommation permis par cette quantité d’uranium appauvri (ce sujet sera l’objet du dernier article de cette série sur le cycle).

Donc on entrepose cette matière nucléaire. On pourrait en avoir environ 400 000 tML à horizon 2030, 470 000 tML à horizon 2040.

Et son utilisation future est tributaire d’un développement futur du nucléaire en France.
Vous imaginez donc l’enjeu que ça représente, si le nucléaire est désavoué et qu’il faut finalement considérer cette matière comme déchet !
Gros sujet de réflexion politique également, donc.

Et on va en rester là pour aujourd’hui, avec notre enrichi sur les bras 🙂

Prochaines étapes : en faire du combustible, enfourner tout ça dans nos réacteurs, faire cuire à feu vif 3-4 ans ! 

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