Comprene lo nuclear, lo cicle del combustible nuclear
Segond article per far conéisser en prigondor la filièra del nuclear. Fach seguida al sul començament de l’urani. L’energia nucleara utiliza un combustible per produire de calor dins una centrala nucleara. Aquel combustible es generalament a basa d’urani. Après son utilizacion, pòt tanben patir de tractaments qu’an per mira de ne reciclar una partida. Se…
Per Jacques Thiry
Segond article per far conéisser en prigondor la filièra del nuclear. Fach seguida al sul començament de l’urani.
L’energia nucleara utiliza un combustible per produire de calor dins una centrala nucleara. Aquel combustible es generalament a basa d’urani. Après son utilizacion, pòt tanben patir de tractaments qu’an per mira de ne reciclar una partida.
Se parla d’Amont del Cicle abans utilizacion en centrala e d’Aval del Cicle pels combustibles usats. Per l’aval del cicle, d’unes païses (USA, Suècia, Canadà) an causit de considerar lo combustible usat coma un degalh. D’autres (França, Grand Bretanha, Japon) an fach la causida del reciclatge; dins aqueste cas se parla de cicle barrat.
Quand lo combustible patís pas de retractament, son estocatge definitiu pausa la necessitat d’estudis mai intenses e mai longs que pels degalhs ultims dels combustibles retirats.
Nocions prealablas
Tota matèria es compausada d’atòms. Los atòms son compausats d’un nuclèu comprenent de protons e de neutrons. A l’entorn d’aquel nuclèu gravitan d’electrons. Per assegurar la neutralitat d’un atòm, i a tant de protons (de cargas electricas positivas) coma d’electrons (de cargas electricas negativas). Mas, dins la natura, fòrça elements purs son constituïts per d’atòms presentant de diferéncias al nivèl de lor constitucion: se parla d’isotòps. Los isotòps possedisson lo meteis nombre de protons e d’electrons, mas an un nombre diferent de neutrons.
Los tres isotòps deu carbòni
Los isotòps d’un meteis element an de proprietats quimicas identicas, mas de proprietats fisicas diferentas. La màger part son radioactius (mas pas totes!). Se tròba aital dins la natura de carbòni qu’es constituït de 3 isotòps: 12C lo mai abondant (98,9 %), 13C (1,07 %) e 14C (traças). Nòstre còs es constituït de potassi (notat K en quimia) present dins nòstras cellulas e dins la sang. L’isotòp majoritari es lo 39K (93,25 %) e lo 41K (6,7 %), mas existís tanben un isotòp radioactiu lo 40K (0,01%) que fa que sèm totes naturalament radioactius!
Aital, per l’urani, se tròba dins la natura l’urani qu’es compausat dels isotòps 238U (92 protons e 143 neutrons) (abondància de 99,275 %), 235U (92 protons e 142 neutrons) (abondància de 0,71 %), 234U (92 protons e 142 neutrons) (abondància de 0,006 %).
Fissil o fertil ? Se nomma nuclèus fissils, los nuclèus que son susceptibles de patir una fission, valent a dire de se copar en balhant naissença a d’autres elements e en liberant d’energia. Es lo cas de 235U.
Se nomma nuclèus fertils, los nuclèus que venon fissils quand capturan un neutron. Es lo cas de 238U. En captant un neutron se transforma en plutòni.
L’amont del cicle de l’urani
Esquèma de principi de las etapas del cicle del combustible nuclear
va encontrar quatre menas de qualitat d’urani: l’urani natural, l’urani enriquit, l’urani apaurit e l’urani de retractament.
L’amont del cicle es representat per las quatre primièras operacions:
- L’espleitacion minièra e la concentracion de l’urani.
- Lo rafinatge e la conversion.
- L’enriquiment.
- La fabricacion del combustible
L’espleitacion minièra
Las minas d’urani permeton de tirar l’urani natural. Puèi, lo mineral es conduch dins una usina quimica pròcha dels sites d’extraccion. Aquel tipe d’usina quimica a per mira de produire un concentrat d’urani, sovent un produch quimic de color jauna dins lo qual i a una concentracion en urani de 70 a 80% (nommat yellow cake). Son donc d’usinas de concentracion qu’an per mira de concentrar e purificar l’urani per de procediments diches idrometallurgics en partissent de la ròca (de 1 a 2 quilos d’urani per tona en general, de còps un pauc mai o excepcionalament mantun desenat de quilòs per tona coma a Canadà), fins a un produch quimic comercial contenent 700 a 800 quilòs d’urani per tona.
Los principals païses productors son Cazacstan, Canadà, Austràlia, Namibia. Contribuïsson per mai de 75 % a respondre a la demanda mondiala. Actualament la produccion totala s’establís entre 55 000 e 60 000 tonas d’urani per an.
Rafinatge e conversion
The yellow cake
Lo yellow cake, polvera jauna facila a transportar, a besonh de patir una purificacion intensa (puretat nucleara al delà de 99,95 %) aital coma una « conversion » en un autre produch quimic, l’exafluorur d’urani UF6, perque aquel darrièr produch a la particularitat d’èsser gasós a relativament bassa temperatura (60 °C). Es jos aquela fòrma gasosa que poirà puèi èsser enriquit.
La purificacion e la conversion se fan tanben dins d’usinas quimicas en utilizant un solvent, d’acid fluoridric e de fluòr. En França una primièra etapa condutz al tetrafluorur d’urani UF4 e es efectuada a Narbona, puèi la segonda etapa, condusent a UF6, es realizada a Pèiralata. Existís pas gaire d’installacions capablas d’assegurar aquelas transformacions: França, Canadà, Russia, USA son los sols actors.
Enriquiment
Esquèma de principi de l’ultracentrifugacion
La darrièra etapa de l’amont del cicle es l’operacion d’enriquiment. La quantitat d’urani fissil 235U es pas sufisenta per indusir una reaccion de fission en cadena. Valent a dire una reaccion emetent pro de neutrons permetent de copar los atòms que van, a lor torn, emetre de neutrons etc… de faiçon contunha. Cal donc portar lo taus de preséncia del 235U de 0,7 % a qualques per cent (tipicament 3 a 4 %). Es l’enriquiment.
Diferentas tecnologias son disponiblas, mas doas son industrialament utilizadas: la difusion gasosa e l’ultracentrifugacion.
La difusion gasosa
L’enriquiment per difusion gasosa consistís a forçar lo passatge del gas UF6 per de membranas porosas (mantun miliard de pòres per cm2) apeladas barrièras de difusion. L’isotòp 235U es un pauc mai leugièr que l’isotòp 238U e son agitacion termica es doncas mai importanta, çò que fa que dintrarà en collision mai sovent amb la barrièra e donc la passar mai sovent que lo 238U. I aurà donc leugièrament mai de 235U d’un costat de la barrièra. Evidentament, aquela operacion deu èsser repetida de plan nombroses còps per aténher los tausses d’enriquiment desirats. L’usina Georges Besse a Pèiralata comportava quicòm coma1 400 barrièras. Lo gròs inconvenient d’aquela tecnologia residís dins sa consomacion d’energia. L’usina G. Besse èra alimentada per 3 de las 4 lescas del reactor de Tricastin. Dempuèi pauc de temps (2011) aquesta usina es estada arrestada e remplaçada per una usina novèla G. Besse II utilizant la segonda tecnologia, l’ultracentrifugacion gasosa qu’es mai o mens cinquanta còps mens energivòra.
L’ultracentrifugacion
Aquel autre procediment consistís a introduire lo gas UF6 dins un recipient cilindric (bòl) virant a plan granda velocitat. L’isotòp mai pesuc 238U se tròba concentrat en zòna periferica e lo mai leugièr 235U cap a l’ais del bòl. Aquí tanben, cal un nombre grand de solièrs de separacion, mas en fòrt mendre quantitat que per la difusion.
A la sortida de l’operacion d’enriquiment, s’obten donc d’una part d’urani enriquit jos forma de gas UF6 enriquit en 235U a mai o mens 3-4 % e d’autra part de gas UF6 apaurit en 235U (ne demòra mai o mens pas que 0,2 % respècte al 0,7% dins l’urani natural).
L’urani apaurit es desfluorat e transformat en una polvera solida d’oxid d’urani U3O8, puèi entrepausat. Près de 350 000 tonas son aital entrepausats en França. S’agís aquí de matèria valorisable siá per un apauriment mai intens permetent de produire un pauc mai d’urani enriquit, siá per utilizacion coma matèria fertila per de reactors de generacion IV.
Fabricacion del combustible
L’etapa de fabricacion del combustible comença per una desfluoracion de l’UF6 enriquit per obtenir una polvera solida d’oxid d’urani UO2.
Puèi, aquesta polvera es transformada en pastilhas de 13 mm de nautor e 8 mm de diamètre que son encapsuladas dins d’estuges metallic estancs en aliatge particular constituït de zircòni, per tal de fargar çò que se sona « gredons ». Puèi, aqueles gredons son assemblats e meses en reactor. Un assemblatge conten mai o mens 260 gredons e i a de 157 a 252 assemblatges segon la poténcia del reactor, siá d’11 a 18 milions de pastilhas.
L’aval del cicle de l’urani
L’aval del cicle es representat per las doas darrièras operacions:
- Lo retractament del combustible usat.
- Lo reciclatge.
Après «combustion» dins lo reactor, una partida del 238U s’es transformada per captura de neutrons en plutòni dont d’unes isotòps son fissils. Al cap de 4 a 5 ans los resultats del combustible venon insufisents e es remplaçat.
Lo combustible usat conten encara 95 % d’urani (dont la tenor en 235U es tombada a 0,6 – 0,7 %), 1% de plutòni a 60 % fissil e 4 % de degalhs radioactius (de nombroses elements coma lo cesi, l’iòde, lo cobalt, l’estronci etc…).
Lo retractament
Lo retractament consistís a separar totes aqueles elements en vista de:
- un reciclatge per l’urani e lo plutòni que son estats separats e purificats.
- un condicionament dels degalhs per estocatge definitiu adaptat.
Lo retractament es efectuat en França dins l’usina de La Hague e consistís en d’operacions de naut nivèl tecnologic per:
- efectuar d’operacions mecanicas de cisaillage e copa d’assemblatges e dels gredons;
- efectuar d’operacions quimicas per separar e purificar l’urani e lo plutòni: dissolucion en mitan acid, separacion per solvent, purificacion, conversion en oxids;
- separar los produches de fission que son puèi vitrificats per incorporacion dins un veire (los degalhs dels clients estrangièrs lor son restituïts).
Lo reciclatge
Lo reciclatge consistís a recuperar lo plutòni que servís dins un combustible apelat MOX e constituït d’urani natural, d’urani apaurit e de plutòni.
L’urani de retractament (URT) pòt tanben èsser reütilizat. Mas presenta de traças d’isotòps indesirables (232U e 234U) e son enriquiment genèra de precaucions per non pas « contaminar » las unitats d’enriquiment d’urani natural. La sola usina d’enriquiment d’urani de retractament se tròba en Russia e es possible que França se dòte d’una tala unitat per boclar totalament lo cicle.
Se vei donc per la descripcion del cicle del combustible nuclear que lo desvolopament d’un cicle barrat permet de reciclar mai de 95% de la matèria.
D’un autre costat, los entrepausatges constituïts d’urani apaurit e de plutòni permetrián d’assegurar una independéncia d’energia electrica d’origina nucleara per mantuna centena d’annadas en utilizant de reactors de generacion IV venent aital barrar totalament lo cicle.
Referéncias
Découvrir et comprendre : Le cycle du combustible nucléaire, CEA, 2022
La sûreté du « cycle du combustible », ASN
Enrichissement de l’uranium, Connaissance des énergies (CDE)
Legir
article seguent: Comprene lo nuclear, fabricar d’electricitat amb l’energia nucleara