Comment l’uranium alimente les réacteurs nucléaires

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Crédits : MaxxieMW/istock

Les centrales nucléaires ont deux gros avantages : elles produisent de l’électricité de manière constante (indépendamment des conditions météorologiques) et constituent une source d’énergie bas-carbone, car elles n’émettent pas directement de gaz à effet de serre lors de la production d’électricité. Le secret de cette énergie nucléaire réside dans l’uranium. Voici comment cela fonctionne.

Pourquoi cet élément est-il aussi spécial ?

La découverte de l’uranium remonte à la fin du 18e siècle. À l’époque, le chimiste allemand Martin Heinrich Klaproth avait isolé ce « nouvel » élément à partir d’un minerai de pechblende, qui était à l’époque utilisé pour extraire du radium. Il nomma cet élément « uranium » en l’honneur de la planète Uranus, qui n’avait été découverte que récemment. Notez cependant que des mineurs d’argent avaient déjà remarqué sa présence dans les mines des années plus tôt, mais sans forcément lui accorder de l’importance.

Ce n’est qu’après l’isolation de l’uranium par Klaproth que les scientifiques ont pu l’étudier plus en détail. Au fil du temps, il est alors apparu que cet élément présent en abondance dans la croûte terrestre était radioactif. Cela signifie qu’il émet des rayonnements. D’ailleurs, sa lente désintégration radioactive serait la principale source de chaleur au sein de la Terre, participant à la convection et à la dérive des continents.

Par ailleurs, comme d’autres éléments, l’uranium se présente sous plusieurs formes identifiées par le nombre de neutrons présents dans le noyau de leurs atomes. Le minerai d’uranium naturel est composé de deux de ces isotopes : l’uranium-238 (U-238) et l’uranium-235 (U-235). C’est ce dernier qui nous intéresse. Il s’agit en effet d’une matière fissile, ce qui signifie que cet élément peut soutenir une réaction nucléaire en chaîne.

Comment est-il utilisé dans les centrales ?

L’U-235 ne représente cependant qu’environ 0,7 % de l’uranium naturel, tandis que l’U-238 en représente environ 99,3 %. Il doit ensuite être transformé. Avant de pouvoir l’utiliser, plusieurs étapes sont donc nécessaires.

Le cycle commence par l’extraction et le broyage du minerai. Ce dernier est alors traité pour obtenir un concentré (appelé yellowcake), qui est ensuite converti en une forme adaptée à l’enrichissement. Cette étape d’enrichissement permet d’augmenter les concentrations de cet isotope vital qui, on le rappelle, ne représente que 0,7 % de l’uranium naturel.

Une fois que suffisamment d’U-235 est obtenu, le matériau enrichi est ensuite façonné en pastilles et enfermé dans du métal pour devenir des barres de combustible. Celles-ci sont alors assemblées pour être utilisées dans un réacteur.

À l’intérieur, les noyaux des atomes d’uranium sont bombardés par des neutrons qui les font se briser en plusieurs noyaux plus petits. L’énergie libérée par cette « fission nucléaire » génère alors de la chaleur. Le noyau divisé libère également plus de neutrons, ce qui entraîne de plus en plus de réactions de fission (la fameuse réaction en chaîne) qui produisent encore plus d’énergie, et ainsi de suite.

La chaleur générée par la réaction en chaîne est alors utilisée pour produire de la vapeur chargée de faire tourner une turbine qui entraîne un générateur électrique.

Notez que l’uranium a une densité énergétique extrêmement élevée. Autrement dit, une petite quantité d’uranium peut produire une quantité importante d’énergie. Ce combustible nucléaire est donc économiquement avantageux à long terme.

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Crédits : Arnaud Bertrand/istock

Que faire des combustibles usés ?

Une fois que l’uranium ne peut plus soutenir de réaction en chaîne efficace, il est considéré comme un déchet. Dans de nombreux pays, ce combustible nucléaire usé est stocké temporairement dans des piscines de refroidissement. Elles permettent de refroidir le combustible et de le protéger des rayonnements radioactifs. Ce stockage temporaire peut durer plusieurs années, le temps que le combustible perde suffisamment de radioactivité.

Ensuite, le combustible usé peut être transféré dans des conteneurs de stockage à sec, généralement faits d’acier ou de béton. Il est également possible de les stocker en profondeur dans des formations géologiques stables et isolées. Il peut s’agir de dépôts de sel, de formations rocheuses ou bien de couches d’argile profondes. Ces sites sont naturellement sélectionnés en fonction de critères de sécurité et de protection de l’environnement.

Plutôt que de le stocker, certaines installations n’hésitent pas non plus à recycler ce qui peut l’être. L’objectif est de récupérer des matériaux de valeur tels que l’U-235 restant, mais aussi du plutonium nouvellement crée. Ce dernier peut en effet être réutilisé comme combustible dans un réacteur. Ce retraitement permet une utilisation plus efficace du combustible nucléaire, réduisant ainsi les déchets. Cependant, le processus est plus coûteux que le simple stockage des déchets.