Encyclopedie Energie

Combustible nucléaire

Figure 1. Une pastille de combustible nucléaire enrichie.[1]

Le combustible nucléaire est un combustible utilisé dans un réacteur nucléaire pour maintenir une réaction nucléaire en chaîne. Ces combustibles sont fissiles. Les combustibles nucléaires les plus courants sont les métaux radioactifs d'uranium-235 et de plutonium-239. [2] Tous les processus impliqués dans l'obtention, le raffinage et l'utilisation de ce type de combustible constituent un cycle connu sous le nom de cycle du combustible nucléaire.

L'uranium 235 est utilisé comme combustible à différentes concentrations. Certains réacteurs, comme le réacteur CANDU, peuvent utiliser de l'uranium naturel avec des concentrations d'uranium 235 de seulement 0,7 %, tandis que d'autres réacteurs exigent que l'uranium soit légèrement enrichi aux niveaux de 3 % à 5 %. [3] Le plutonium-239 est fabriqué et utilisé dans les réacteurs (en particulier, les réacteurs surgénérateurs) qui contiennent des quantités importantes d'uranium-238. Il peut également être recyclé et utilisé comme combustible dans les réacteurs thermiques. Des recherches sont en cours pour étudier l'utilisation du thorium-232 comme combustible.

Fabrication

Les usines de fabrication de combustible sont des installations qui transforment l'uranium enrichi en combustible pour les réacteurs nucléaires. Pour les réacteurs à eau légère, l'uranium est reçu d'une usine d'enrichissement sous forme solide. Il est ensuite converti en gaz et chimiquement transformé en poudre de dioxyde d'uranium. [4] Cette poudre est ensuite pressée sous forme de pastilles et conditionnée en assemblages de combustible. Un combustible à oxydes mixtes peut également être créé lorsque la poudre d'uranium est conditionnée avec de l'oxyde de plutonium. Les dangers existant dans les installations de fabrication de combustibles - principalement chimiques et radiologiques - sont similaires à ceux des usines d'enrichissement. Ces installations présentent généralement un faible risque pour le public. [4]

Utilisation

Lorsqu'ils sont utilisés dans un réacteur, les combustibles peuvent avoir des formes différentes: un métal, un alliage ou un certain type d'oxyde. [3] La plupart des réacteurs nucléaires sont alimentés par un composé connu sous le nom de "dioxyde d'uranium". Ce dioxyde d'uranium est fabriqué dans un assemblage combustible et inséré dans le réacteur nucléaire - où il peut rester de quelques mois à plusieurs années. [5] Pendant qu'il est dans le réacteur, le combustible subit une fission et libère de l'énergie. Cette énergie libérée est utilisée pour produire de l'électricité. Les neutrons dégagés lors du processus de fission provoquent une réaction de fission en chaîne, ce qui permet la génération permanente de l'énergie. Le combustible est retiré du réacteur après que de grandes quantités de combustible - que ce soit de l'uranium 235 ou du plutonium 239 - aient subi une fission. Le combustible nucléaire usagé est appelé «usé» ou «irradié». Après son utilisation, le combustible doit être refroidi pendant quelques années car il est extrêmement chaud. [5]

Le combustible usé est placé dans de grands et profonds bassins d'eau qui servent de liquide de refroidissement et d'écran protecteur contre le rayonnement. La propriété de refroidissement permet à l'eau d'éliminer la chaleur de désintégration, et sa capacité de protection sauvegarde les travailleurs de la radioactivité du combustible. [5] Après le refroidissement, le combustible peut être réutilisé à d'autres fins ou envoyé au stockage selon les réglementations.

Pour plus d'informations sur le traitement du combustible usé, voir les déchets nucléaires. Pour une explication plus approfondie de l'obtention et de l'utilisation du combustible, voir le cycle du combustible nucléaire.

Assemblage de combustible

Les réacteurs nucléaires sont alimentés par la poudre de dioxyde d'uranium qui a été comprimée en petites pastilles, comme celle illustrée à la Figure 1. Cependant, une centrale électrique nécessite « beaucoup » de ces pastilles pour fonctionner. Ainsi, un grand nombre de ces pastilles sont empilées dans un « crayon combustible ». [6] Une seule pastille de combustible d'uranium, aussi petite que le bout du doigt, contient autant d'énergie que 481 mètres de gaz naturel, 807 kilogrammes de charbon ou 564 litres de pétrole. [7] Ces crayons sont composés de nombreuses pastilles de combustible d'uranium fissile et peuvent mesurer plusieurs mètres de longueur et environ un centimètre de diamètre. [5] Ensuite, plusieurs de ces crayons, généralement au moins une douzaine, sont maintenus ensemble par de solides supports métalliques dans un assemblage de combustible. Ces crayons ne sont pas fortement serrées l'un contre l'autre, mais il y a plutôt plusieurs millimètres entre chaque crayon pour permettre au liquide de refroidissement de circuler entre eux. [5] Les tubes contenant des pastilles d'uranium sont généralement composés de zirconium. [6]

Figure 2. Un assemblage de combustible nucléaire.[8]

Avantages et inconvénients des combustibles nucléaires

Partout dans le monde, il nous reste de vastes réserves d'uranium à extraire. Même si le combustible nucléaire n'est pas renouvelable, il est durable puisqu'il y en a autant. Il finira par s'épuiser, mais cela prendra des siècles. Contrairement aux combustibles fossiles, l'utilisation des combustibles nucléaires pour la production de l'énergie n'émet pas directement de dioxyde de carbone, ni de dioxyde de soufre. Il convient de mentionner que les processus d'extraction, de transport et de raffinage des combustibles nucléaires sont associés à certaines émissions de carbone [2] , mais elles sont comparables à celles du vent et de l'énergie solaire. Bien que l'utilisation des combustibles nucléaires ne laisse qu'une faible empreinte carbone, elle présente encore des inconvénients. Les déchets, bien qu'en quantité beaucoup plus réduite, doivent être manipulés avec beaucoup de soin en raison de leur radioactivité. De plus, les combustibles nucléaires requièrent des systèmes d'extraction d'énergie beaucoup plus compliqués, ce qui nécessite une réglementation plus stricte. La création de ces systèmes et réglementations complexes demande beaucoup de temps. En outre, les opinions publiques sur l'énergie nucléaire sont souvent plus négatives que celles sur d'autres sources d'énergie. La surestimation des dangers associés aux rejets de matières radioactives est un problème important, car les incidents nucléaires à grande échelle sont rares. [2]

En savoir plus

Références

  1. ↑ Wikimedia Commons. (June 17, 2015). Fuel Pellet [Online]. Available: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fuel_Pellet.jpg#/media/File:Fuel_Pellet.jpg
  2. ↑ 2,0 2,1 et 2,2 BBC Bitesized. (July 6, 2015). «Nuclear Fuels» [Online]. Available: http://www.bbc.co.uk/schools/gcsebitesize/science/aqa/mains/generatingelectricityrev2.shtml
  3. ↑ 3,0 et 3,1 M.Raymond. «Nuclear Energy», 6e éd. Burlington, MA, États-Unis: Butterworth-Heinemann, États-Unis, 2009.
  4. ↑ 4,0 et 4,1 NRC. (July 6, 2015). «Fuel Fabrication» [online]. Available: http://www.nrc.gov/materials/fuel-cycle-fac/fuel-fab.html
  5. ↑ 5,0 5,1 5,2 5,3 et 5,4 C.Ferguson. «Nuclear Energy: What Everyone Needs to Know», 1st ed. Cary, NC, USA: Oxford University Press, USA, 2011.
  6. ↑ 6,0 et 6,1 US NRC Glossary. (July 6, 2015). «Fuel Rod» [En ligne]. Disponible: http://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/glossary/fuel-rod.html
  7. ↑ NEI. (July 6, 2015). «Nuclear Fuel Supply» [Online]. Available: http://www.nei.org/Knowledge-Center/Nuclear-Fuel-Processes
  8. ↑ Wikimedia Commons. (July 6, 2015). Nuclear Fuel Element [Online]. Available: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/2d/Nuclear_fuel_element.jpg
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