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Piscine de combustible nucléaire usé

Combustible nucléaire, son utilisation et son cycle

Combustible nucléaire, son utilisation et son cycle

Le combustible nucléaire est le matériau utilisé pour la production d'énergie nucléaire. C'est un matériau qui peut être fissioné ou fusionné selon qu'il s'agit d'une fission nucléaire ou d'une fusion nucléaire.

On entend par combustible nucléaire à la fois le matériau (uranium, plutonium ...) et l'ensemble réalisé avec ledit matériau nucléaire (crayons de combustible, compositions de la matière nucléaire et du modérateur ou toute autre combinaison.

Le combustible des réacteurs à eau légère le plus utilisé est l'uranium car il est le plus approprié dans les réacteurs à fission nucléaire. Actuellement, tous les réacteurs nucléaires en production pour la production d'énergie électrique sont à fission.

Le tritium et le deutérium sont des isotopes légers de l'hydrogène qui sont utilisés dans le processus de fusion nucléaire. La fusion nucléaire, pour le moment, n'est pas suffisamment développée pour être appliquée dans les centrales nucléaires.

À quoi sert le combustible nucléaire?

Une centrale nucléaire mise en service utilise du combustible nucléaire pour alimenter le réacteur.

Lorsqu'ils sont utilisés dans un réacteur, les combustibles utilisés peuvent prendre différentes formes: un métal, un alliage ou un mélange d'oxydes. La plupart des réacteurs nucléaires utilisent un composé composé de dioxyde d'uranium (oxyde d'uranium IV).

Les atomes du combustible nucléaire sont progressivement séparés par le processus de fission nucléaire. Dans chacune de ces réactions, le matériau est transformé en d'autres éléments dégageant de l'énergie thermique.

Cette énergie thermique est utilisée pour obtenir de la vapeur et entraîner une turbine couplée à un alternateur. De cette manière, la centrale nucléaire produit de l' électricité environ 900 MWe.

Pour que le réacteur fonctionne, la masse du combustible nucléaire présent dans le réacteur atteint la masse dite critique. La masse critique est la quantité nécessaire pour démarrer une réaction en chaîne qui est autosuffisante de manière stable.

Configuration des barres de combustible dans un réacteur nucléaire

Le combustible nucléaire est placé en barres dans le réacteur. La pose sur des barres offre les avantages suivants:

La matière fissile doit être placée dans un assemblage de combustible en forme géométrique qui maximise l'efficacité de l'effet d'entraînement. Cette disposition doit tenir compte de la nécessité de laisser suffisamment d'espace pour insérer le modérateur de neutrons.

Lors de la phase de conception d'un réacteur nucléaire, il est également nécessaire de prévoir de l'espace pour les barres de commande et les dispositifs de diagnostic.

En théorie, la forme idéale serait sphérique, cependant, une forme cylindrique est utilisée, 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 de 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 d'uranium).

  • Fabrication d'éléments combustibles

  • L'utilisation de combustible dans le réacteur

  • Le retraitement des déchets radioactifs, pour récupérer l'uranium restant et le plutonium produit.

Dans certaines conditions, une réaction oxydative du zirconium avec l'hydrogène de l'eau est possible, avec formation et diffusion dans l'alliage de zirconium.

Le combustible MOX

Le combustible MOX est un combustible nucléaire contenant plusieurs types de fissiles matériaux oxydes. Fondamentalement, le terme est utilisé pour un mélange d'oxydes de plutonium et d' uranium naturel, d'uranium enrichi ou d'uranium appauvri, qui se comporte dans le sens d'une réaction en chaîne similaire (bien que non identique) à l'oxyde d'uranium faiblement enrichi.

Le MOX peut être utilisé comme combustible supplémentaire pour le type le plus courant de réacteurs nucléaires : les réacteurs thermiques à eau légère... Cependant, une utilisation plus efficace du combustible MOX est la combustion dans les réacteurs rapides.

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.

La combustion d'une pastille d'uranium de 7 grammes peut libérer autant d'énergie qu'1 tonne de charbon.

En revanche, les opérations de ravitaillement sont considérablement plus complexes.

Contrairement à ce qui se passe avec d'autres types de combustibles, ces produits restent principalement dans les barres ou éléments immédiatement adjacents.

Au fil des ans, le combustible devient de plus en plus pauvre en matière fissile. Lorsque les tiges atteignent le point où il n'est plus efficace de les faire exploser, elles doivent être remplacées.

En fonction de la géométrie du réacteur, il peut arriver qu'une partie du combustible s'épuise plus rapidement que d'autres parties. La configuration de la barre est utile dans ce cas car elle permet de ne remplacer que les pièces les plus épuisées.

Les tiges usées (déchets nucléaires), ainsi que le matériau à proximité immédiate et les actinides mineurs, sont devenus hautement radioactifs en raison de la présence de produits de fission générés par les réactions.

L'élimination des crayons usés est donc la partie la plus complexe du démantèlement des scories des réacteurs nucléaires.

Auteur :

Date de publication : 24 mars 2015
Dernier examen : 28 novembre 2022