Le combustible nucléaire est la matière utilisée pour produire de l'énergie nucléaire. C'est un matériau qui peut être fissuré ou fusionné selon que son utilisation est la fission nucléaire ou la fusion nucléaire.
On fait référence au combustible nucléaire aussi bien au matériau (uranium, plutonium...) qu'à l'assemblage réalisé avec ladite matière nucléaire (crayons combustibles, compositions de matière nucléaire et le modérateur ou toute autre combinaison).
Le combustible nucléaire le plus utilisé est l’uranium car il convient le mieux aux réacteurs nucléaires à fission. Actuellement, tous les réacteurs nucléaires en production pour la production d’énergie électrique sont à fission. À un autre niveau, le plutonium est également utilisé comme combustible nucléaire.
Le tritium et le deutérium sont des isotopes légers de l'hydrogène utilisés dans le processus de fusion nucléaire. La fusion nucléaire, à l’heure actuelle, n’est pas suffisamment développée pour être appliquée aux centrales nucléaires.
A quoi sert le combustible nucléaire ?
Une centrale nucléaire utilise du combustible nucléaire pour alimenter le réacteur.
Les atomes du combustible nucléaire sont progressivement séparés par le processus de fission nucléaire. Dans chacune de ces réactions, le matériau se transforme en d’autres éléments, libérant de l’énergie thermique.
Cette énergie thermique est utilisée pour obtenir de la vapeur et entraîner une turbine couplée à un alternateur. La centrale nucléaire produit ainsi de l’électricité.
Pour que le réacteur fonctionne, la masse de combustible nucléaire présente dans le réacteur atteint la masse dite critique . La masse critique est la quantité nécessaire pour déclencher une réaction en chaîne qui s’auto-entretient de manière stable.
Configuration de crayons de combustible dans un réacteur nucléaire
Le combustible nucléaire est placé en barres à l’intérieur du réacteur. La pose sur barreaux présente les avantages suivants :
- Facilite le transport.
- Permet d'alterner le combustible avec le modérateur de neutrons et les barres de commande.
- Simplifie l’extraction du carburant en fin de cycle.
La matière fissile doit être placée selon une disposition géométrique qui maximise l’efficacité de l’effet de chaîne. Cette disposition doit tenir compte de la nécessité de laisser un espace suffisant pour insérer le modérateur de neutrons.
Lors de la phase de conception d’un réacteur nucléaire, il est également nécessaire de faire de la place aux barres de commande et aux dispositifs de diagnostic.
En théorie, la forme idéale serait sphérique ; Cependant, on utilise une forme cylindrique, obtenue en combinant un grand nombre de barres.
Cycle du combustible nucléaire
Le cycle du combustible nucléaire est l'ensemble des opérations nécessaires à la fabrication du combustible destiné aux centrales nucléaires. Les opérations du cycle comprennent également le traitement ultérieur du combustible usé.
Dans le cas de l'uranium, le cycle fermé comprend :
- Exploitation minière pour extraire l'uranium naturel.
- Production de concentrés d'uranium.
- Obtention d'uranium enrichi (enrichissement de l'uranium).
- Fabrication d'éléments combustibles.
- L'utilisation de combustible dans le réacteur.
- Le retraitement des éléments combustibles irradiés, pour récupérer l'uranium restant et le plutonium produit.
Ces tâches peuvent être réalisées par une entreprise nationale ou internationale avec un contrôle qualité approprié.
Épuisement et remplacement du combustible nucléaire
Contrairement aux combustibles traditionnels (par exemple les combustibles fossiles), la consommation de combustible dans un réacteur nucléaire est très lente. Une fois chargé dans le réacteur, il dure généralement des années.
En revanche, les opérations de ravitaillement sont considérablement plus complexes.
Contrairement à ce qui se passe avec d’autres types de combustibles, le produit de la réaction (appelé scories) n’est pas dispersé. Ces produits restent principalement à l'intérieur des barres elles-mêmes ou des éléments immédiatement adjacents.
Au fil du temps, les crayons combustibles deviennent de plus en plus pauvres en matière fissile. Lorsque les tiges atteignent le point où il n'est plus efficace de les exploiter, elles doivent être remplacées.
Selon la géométrie du réacteur, il peut arriver qu'une partie du combustible s'épuise plus vite que d'autres : généralement la partie centrale s'épuise plus vite que la partie extérieure. La configuration en barre est utile dans ce cas car elle permet de remplacer uniquement les pièces les plus usées.
Les barres usagées, ainsi que les matériaux à proximité immédiate, sont devenus hautement radioactifs en raison de la présence de produits de fission générés par les réactions, ainsi que d'autres matériaux qui peuvent être activés pendant le processus de capture de neutrons ou à la suite d'autres phénomènes similaires. processus.
L’élimination des barres usagées constitue donc la partie la plus complexe du démantèlement des scories des réacteurs nucléaires.
Sûreté et contrôle du combustible nucléaire
La manipulation du combustible nucléaire nécessite des protocoles de sécurité stricts en raison de la nature radioactive des matières impliquées. Lors du transport, du stockage et de la manipulation du carburant, diverses mesures sont mises en œuvre pour protéger les travailleurs et l'environnement des radiations.
Les réacteurs nucléaires sont conçus avec des systèmes de sécurité redondants pour prévenir les accidents. Cela comprend la construction de conteneurs de confinement robustes, de systèmes de refroidissement efficaces et de mécanismes d'arrêt d'urgence qui arrêtent la réaction nucléaire en cas d'anomalies.
De plus, les centrales nucléaires sont soumises à des contrôles de qualité et à des procédures d'exploitation rigoureux qui sont régulièrement audités par les organismes de réglementation internationaux. La gestion des déchets radioactifs est également essentielle, dans le but de les stocker en toute sécurité et d'éviter le rejet de matières dangereuses dans l'environnement.
Comparaison avec d'autres carburants
Le combustible nucléaire est comparé aux autres sources d’énergie principalement en termes d’efficacité et d’impact environnemental.
- Efficacité : L'énergie nucléaire a une densité énergétique élevée. Une petite quantité de matières nucléaires peut générer une grande quantité d’énergie, ce qui en fait une source très efficace par rapport aux combustibles fossiles comme le charbon ou le gaz naturel. En effet, la fission nucléaire libère des millions de fois plus d’énergie par unité de masse que la combustion de combustibles fossiles.
- Émissions : Contrairement aux énergies fossiles, l’énergie nucléaire n’émet pas de gaz à effet de serre lors de sa production d’électricité, ce qui en fait une option attractive pour réduire les émissions de carbone. Cependant, la gestion des déchets radioactifs constitue un défi majeur. Les déchets nucléaires sont hautement radioactifs et doivent être gérés avec soin pendant des milliers d’années, ce qui représente un coût et une préoccupation à long terme.
- Impact environnemental : En termes d'impact environnemental, l'énergie nucléaire présente l'avantage de produire de l'électricité de manière très propre par rapport aux centrales au charbon ou au gaz, qui émettent de grandes quantités de dioxyde de carbone et d'autres polluants. Cependant, l’extraction de l’uranium et la gestion des déchets nucléaires ont certains impacts, bien qu’ils soient considérablement moindres que ceux des combustibles fossiles.
- Coûts : La construction de centrales nucléaires nécessite des investissements initiaux importants, et les coûts d'exploitation et de maintenance peuvent également être élevés, principalement en raison de normes strictes de sécurité et de gestion des déchets. Cependant, une fois qu’une centrale nucléaire est opérationnelle, le coût de production de l’électricité est relativement faible.
- Durabilité : L'énergie nucléaire est une source d'énergie à faible teneur en carbone et peut théoriquement être durable si les ressources sont correctement gérées, même si la disponibilité de l'uranium et d'autres matières fissiles pourrait limiter la durabilité à long terme. À mesure que les sources renouvelables, telles que le solaire et l’éolien, se développent et deviennent plus compétitives, l’énergie nucléaire reste une option, mais son rôle dans le mix énergétique mondial pourrait changer.