L'uranium enrichi est de l'uranium qui a subi un processus technologique pour augmenter la proportion de l'isotope uranium-235. En conséquence, l'uranium naturel est divisé en uranium enrichi et uranium appauvri.
L'uranium naturel contient trois isotopes de l'uranium :
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Uranium-238 (99,2745%)
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Uranium-235 (0,72 %)
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Uranium-234 (0,0055%).
L'isotope uranium-238 (avec 238 neutrons) est un isotope relativement stable, incapable de générer une réaction nucléaire en chaîne indépendante, contrairement à l'isotope fissile U-235.
Aujourd'hui, l'uranium-235 est la principale matière fissile utilisée dans les centrales nucléaires et dans certains types d'armes nucléaires telles que la bombe atomique.
Cependant, pour de nombreuses applications, la proportion d'uranium fissile (U-235) dans l'uranium naturel qui se trouve sûr la croûte terrestre est faible. Pour cette raison, la préparation du combustible comprend généralement un procédé d'enrichissement de l'uranium.
L'usine française Georges-Besse II est une exemple de plante d'enrichissement d'uranium à usage civil.
Comment enriche de l’uranium ?
Le processus d'enrichissement nécessite que l'uranium soit sous une diffusion gazeuse. Ceci est réalisé grâce à un processus appelé conversion, où l'oxyde d'uranium est converti en un composé différent (hexafluorure d’uranium) qui est un gaz à des températures relativement basses.
L’hexafluorure d’uranium (UF6) est introduit dans des centrifugeuses, avec des milliers de tubes verticaux à rotation rapide qui séparent l'uranium-235 de l'isotope légèrement plus lourd de l'uranium-238.
Cet travail de séparation des centrifugeuses génèrent deux flux :
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Un flux est enrichi en uranium 235.
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L'autre est constitué de «résidus» contenant une plus faible concentration d'uranium 235, et connu sous le nom d'uranium appauvri (UA).
A quoi sert l'uranium enrichi ?
L’uranium enrichi s'utilise principalement pour deux fonctions:
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Production d’énergie électrique comme combustible nucléaire: l’uranium faiblement enrichi est utilisé pour construire les barres de combustible nucléaire des réacteurs nucléaires. La production d’électricité avec uranium faiblement enrichi permet réduire la dépendance des combustibles fossiles et, en conséquence, des émissions de gaz à effet de serre.
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Armes atomiques: la bombe atomique contient une partie de matériel amb molécules enrichies en uranium 235.
La production d’électricité
L'uranium est le combustible nucléaire utilisé dans les centrales de fission nucléaire. Toutefois, l’uranium naturel n’est pas suffisamment instable pour produire des réactions de fission naturelles. C’est la raison pour laquelle on besoin d'uranium enrichi (principalement l’uranium 235 et l’uranium 238) qui favorise les réactions nucléaires en chaîne au sein des réacteurs atomiques.
La réaction nucléaire en chaîne implique qu'au moins un neutron libéré lors d'une réaction de fission frappe un autre atome et génère une autre réaction de fission. Cela nécessite que le concentré d'uranium soit suffisamment compact pour augmenter la probabilité que le neutron libéré trouve un prochain atome d'uranium.
D'autre part, lorsque des réactions se produisent à l'intérieur des réacteurs nucléaires, l'uranium-235 est gaspillé, ce qui réduit la probabilité d'une collision. Cet uranium n’est pas suffisamment radioactif pour produire des réactions en chaîne, mais il en est suffisamment encore suffisamment dangereux pour la santé. C’est pour ça qu’il faut qu'il ait une gestion des déchets nucléaires particulière.
L'enrichissement de l'uranium est une solution peu coûteuse pour augmenter la proportion d’uranium 235 dans le combustible nucléaire.
Les armes nucléaires
L'uranium enrichi est également utilisé dans les armes nucléaires. Dans la conception de la bombe atomique, il est nécessaire que dans le temps extrêmement court d'une explosion nucléaire, le nombre maximum d'atomes d'uranium-235 trouve son neutron, sa fission et libère de l'énergie.
Classification selon le degré d'enrichissement de l'uranium
L'uranium peut être classé en :
1. Naturel
L'uranium naturel avec une teneur en uranium-235 de 0,72 % est utilisé dans certains réacteurs de puissance (ex. CANDU canadien), dans des réacteurs produisant du plutonium (ex. A-1).
2. Peu enrichi
L'uranium contenant jusqu'à 20 % d'uranium 235 est dit faiblement enrichi. L'uranium enrichi de 2 à 5 % est désormais largement utilisé dans les réacteurs de puissance du monde entier. L'uranium enrichi jusqu'à 20 % est utilisé dans les réacteurs de recherche.
3. Hautement enrichi
L'uranium avec une teneur en uranium 235 supérieure à 20 % est appelé hautement enrichi ou arme.
L'uranium hautement enrichi peut être utilisé dans une arme thermonucléaire.
De plus, l'uranium hautement enrichi est utilisé dans les réacteurs nucléaires de puissance avec peu ou pas de ravitaillement, par exemple dans les réacteurs spatiaux.
4. appauvri
L'uranium appauvri contient 0,1-0,3% d'uranium-235. Il s'agit généralement du résidu du procédé d'enrichissement de l'uranium.
Ce matériau est largement utilisé comme noyaux pour les projectiles perforants en raison de la haute densité de l'uranium et de son faible coût.
À l'avenir, il est proposé d'utiliser de l'uranium appauvri dans les réacteurs à neutrons rapides.
Comment l'uranium est-il enrichi ?
Le processus d'enrichissement commence par l'uranium nettoyé de ses impuretés.
De nombreuses méthodes de séparation isotopique sont connues. La plupart des méthodes sont basées sur différentes masses d'atomes d'isotopes différents : 235 est légèrement plus léger que 238. Cela se manifeste par une inertie différente des atomes.
Les méthodes électromagnétiques et la diffusion de gaz sont basées sur ce principe.
Aujourd'hui, presque toutes les installations d'enrichissement d'uranium sont basées sur la centrifugation du gaz. L'uranium est sous forme d'hexafluorure d'uranium. Après enrichissement, les usines chimiques transforment l'hexafluorure d'uranium en dioxyde d'uranium.
