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Energie nucléaire : des pistes pour le futur - CEA

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DOSSIERAu cœurdu réacteur du <strong>futur</strong>Meil<strong>le</strong>ure exploitation<strong>des</strong> combustib<strong>le</strong>s,résistance accrue<strong>des</strong> matériaux etsécurisation <strong>des</strong>circuits: <strong>le</strong>s optionssont à l’étude <strong>pour</strong>faire naître <strong>le</strong> réacteurde la génération IV.Au propre comme au figuré, la questiondu combustib<strong>le</strong> <strong>nucléaire</strong> estau cœur du réacteur du <strong>futur</strong>. L’enjeuest considérab<strong>le</strong>, puisqu’il s’agit de faired’une chaîne, allant de la fabrication du combustib<strong>le</strong>jusqu’aux déchets (aujourd’hui, <strong>le</strong>sproduits de fission et <strong>le</strong>s actini<strong>des</strong> mineurs),un cyc<strong>le</strong>. En amont de la chaîne actuel<strong>le</strong>, sepose <strong>le</strong> problème de la gestion <strong>des</strong> ressourcesnaturel<strong>le</strong>s en uranium. En aval, il faudra limiterla production de déchets radioactifs. Lecombustib<strong>le</strong> du <strong>futur</strong> devra donc ménager<strong>le</strong>s deux extrémités et <strong>le</strong>s relier. Pour cela, ildevra permettre de consommer l'uranium238, de brû<strong>le</strong>r <strong>le</strong> plutonium, de transmuter<strong>le</strong>s actini<strong>des</strong> mineurs afin de réduire <strong>le</strong>sdéchets <strong>le</strong>s plus radiotoxiques aux seuls produitsde fission tout en étant compatib<strong>le</strong> avec<strong>le</strong>s technologies «hautes températures» et/ou«à neutrons rapi<strong>des</strong> », très différentes de cel<strong>le</strong>smises en œuvre dans <strong>le</strong>s réacteurs à eausous pression actuels. Ce qui implique <strong>le</strong>«reformatage » comp<strong>le</strong>t <strong>des</strong> combustib<strong>le</strong>s<strong>des</strong> réacteurs de quatrième génération : entermes de composition, de conditionnementet de techniques de recyclage. Le combustib<strong>le</strong>usé devra être régulièrement débarrassé<strong>des</strong> produits de fission et réapprovisionnéen uranium 238.Le carburant du <strong>nucléaire</strong>Le combustib<strong>le</strong> <strong>des</strong> systèmes de quatrièmegénération à neutrons rapi<strong>des</strong> aura une compositiondifférente de celui employé dans <strong>le</strong>parc actuel, constitué de 95 à 97 % d’uranium238 et de 3 à 5 % d’uranium 235. Cessystèmes devraient fonctionner grâce à unmélange d’uranium 238, de plutonium 239(environ 15 à 20 %) et d’actini<strong>des</strong> mineurs(neptunium, américium et curium).L’enrichissement de l’uranium, une <strong>des</strong> étapesde fabrication du combustib<strong>le</strong> actuel, nesera donc plus nécessaire. Le neutron rapide,à la base de la technologie de ces réacteursdu <strong>futur</strong>, induit deux réactions. Lors de lapremière, il est capturé par un noyau d’uranium238 qui se transforme alors en plutonium239. Dans la seconde, <strong>le</strong> plutoniumainsi formé fissionne et fournit l’énergienécessaire à la production de l’é<strong>le</strong>ctricité. IlLe combustib<strong>le</strong> dans <strong>le</strong>s centra<strong>le</strong>s actuel<strong>le</strong>sDans <strong>le</strong>s réacteurs à eau pressurisée(REP) actuels, <strong>le</strong> combustib<strong>le</strong> estde l’oxyde d’uranium (UOx). Il estempilé sous forme de «pastil<strong>le</strong>s»,dans <strong>des</strong> «gaines» de 4m de longfaites d’alliage de zirconium.Bouchées aux extrémités puismaintenues par <strong>des</strong> structuresen gril<strong>le</strong>s, cel<strong>le</strong>s-ci forment<strong>des</strong> assemblages de «crayons».Le cœur d’un réacteur de 900MWde puissance renferme ainsi157 «assemblages» de 264 «crayons»entre <strong>le</strong>squels circu<strong>le</strong> <strong>le</strong> fluidecaloporteur. Ici de l’eau sous pression.Pastil<strong>le</strong>s© DRCrayons© <strong>CEA</strong><strong>CEA</strong>/Dcom - www.cea.fr© <strong>CEA</strong> 2003 - Tous droits réservés.10 • N° 95 - AVRIL-MAI 2003 • LES DÉFIS DU cea


NUCLÉAIRElibère en même temps d’autres neutrons qui,en reproduisant l’une et l’autre <strong>des</strong> deuxréactions, permettent au processus de s’autoentretenir.Pour rester efficaces, <strong>le</strong>s neutrons ne doiventpas ra<strong>le</strong>ntir dans <strong>le</strong> cœur du réacteur : il fautdonc favoriser <strong>le</strong>ur rencontre avec <strong>le</strong> combustib<strong>le</strong>. «Il s’agit en particulier de concentrer<strong>le</strong> maximum de combustib<strong>le</strong> en un minimumde volume», explique Philippe Brossard,chef <strong>des</strong> projets «Cœur, combustib<strong>le</strong> et cyc<strong>le</strong><strong>pour</strong> <strong>le</strong>s systèmes du <strong>futur</strong>» au <strong>CEA</strong>, à Saclay.Les spécialistes <strong>des</strong> matériaux envisagentdonc de remplacer <strong>le</strong>s oxy<strong>des</strong> <strong>des</strong> combustib<strong>le</strong>sactuels – oxyde d’uranium (UOX) etoxy<strong>des</strong> mixtes d’uranium et plutonium(MOX) –, par d’autres composés capab<strong>le</strong>sde contenir plus de matière fissi<strong>le</strong>. Ainsi, <strong>le</strong>plutonium et l’uranium <strong>pour</strong>raient être sousforme de carbures ou de nitrures. Un changementqui permettrait de gagner en densité.Un centimètre cubede nitrure d’uranium(NU) contient en effet 13,5g d’uranium contre9,7 <strong>pour</strong> l’oxyde d’uranium. De quoi intercepter<strong>le</strong> neutron <strong>le</strong> plus véloce…Rétention<strong>des</strong> produits de fissionUtiliser directement <strong>le</strong> fluide caloporteur d’unréacteur <strong>pour</strong> faire tourner une turbine quiproduira au final de l’é<strong>le</strong>ctricité (cyc<strong>le</strong> direct :voir pp. 17-18) impose <strong>des</strong> normes particulièresde sûreté. En fonctionnement norma<strong>le</strong>t en cas d’accident, il s’agit, en effet, d’éviterque <strong>le</strong>s produits de fission issus de laréaction <strong>nucléaire</strong> ne contaminent <strong>le</strong>s circuitsde la centra<strong>le</strong>. La recherche s’oriente aujourd’huivers de nouveaux combustib<strong>le</strong>s constituésde matériaux réfractaires et conçus<strong>pour</strong> confiner ces éléments jusqu’à de trèshautes températures (1 600 °C).Un <strong>des</strong> axes de recherche, sans doute <strong>le</strong> plusprometteur, est <strong>le</strong> développement de combustib<strong>le</strong>à base de particu<strong>le</strong>s. De petitesbil<strong>le</strong>s, d’un diamètre maximum de 1 mm,constituées de 15 % de combustib<strong>le</strong> dans<strong>le</strong>ur partie centra<strong>le</strong> et d’un enrobage detrois à quatre couches de matériau >>>© <strong>CEA</strong>/M. Dormeval© <strong>CEA</strong>/J. PecegoLe choix <strong>des</strong> matériauxCéramique de carbure de titanevue en micrographieLe matériau <strong>des</strong> gainesde la quatrième générationdevra non seu<strong>le</strong>ment êtrecapab<strong>le</strong> de résisterà de hautes températuresmais aussi avoir une bonnetenue mécanique. Si <strong>le</strong>scéramiques répondentbien à la première condition,<strong>le</strong>s tests de f<strong>le</strong>xion réalisésen laboratoiremontrent que <strong>le</strong>urs faib<strong>le</strong>sténacités et ductilités<strong>le</strong>s rendent trop fragi<strong>le</strong>s.Vue au microscopedu faciès de ruptured’une plaquede carbure de titane.Machineà déf<strong>le</strong>xionutilisée <strong>pour</strong>tester larésistancemécanique<strong>des</strong> matériauxAussi, <strong>le</strong>s scientifiques cherchent-ils à renforcer ces matériaux en <strong>le</strong>sassociant avec du métal. Différents types de composites sont ainsià l’étude: matériaux réalisés à partir de la juxtaposition de couchesde céramique et de métal ; céramiques constituées autours d’unsque<strong>le</strong>tte métallique ou renforcées par <strong>des</strong> fibres métalliques .© <strong>CEA</strong>/P. WidentLe cœur de ces réacteurs serait typiquement composéde 40% de gaz (<strong>le</strong> fluide caloporteur), de 10%de matériaux de structures, de 25 % de composésd’actini<strong>des</strong> (uranium, neptunium, plutonium, américiumet curium), et de 25 % de matériaux d’enrobageassurant la rétention <strong>des</strong> produits de fission.<strong>CEA</strong>/Dcom - www.cea.fr© <strong>CEA</strong> 2003 - Tous droits réservés.11 • N°95 - AVRIL-MAI 2003 • LES DÉFIS DU cea


DOSSIER© <strong>CEA</strong>Mise au pointd’un dispositif par«agglomérationvoie sèche » <strong>pour</strong>l’enrobage decombustib<strong>le</strong> à particu<strong>le</strong>s.>>> réfractaire capab<strong>le</strong> de piéger <strong>le</strong>s produitsde fission, ont été mises au point au<strong>CEA</strong> dès <strong>le</strong>s années 1960 (voir encadré).Toutefois, <strong>pour</strong> être compatib<strong>le</strong>s avec <strong>le</strong>sneutrons rapi<strong>des</strong>, ces particu<strong>le</strong>s devrontcontenir une plus grande quantité de combustib<strong>le</strong>.Le défi actuel <strong>des</strong> spécialistesconsiste ainsi à porter cette proportion à60 %, en réduisant la part d’enrobage, et àrassemb<strong>le</strong>r ces particu<strong>le</strong>s en blocs compacts,par exemp<strong>le</strong> par métallurgie <strong>des</strong> poudres.Au cœur du réacteur, ces blocs <strong>pour</strong>raientêtre en plaques disposées de façon à laisser<strong>le</strong> gaz caloporteur circu<strong>le</strong>r entre el<strong>le</strong>s, ou deforme hexagona<strong>le</strong>, directement percés decanaux. Quel<strong>le</strong> que soit la forme adoptée,l’étanchéité globa<strong>le</strong> de ces blocs ou plaquesserait garantie par un revêtement et/ou unegaine externe.Autre voie explorée: cel<strong>le</strong> <strong>des</strong> «crayons» où<strong>le</strong> combustib<strong>le</strong>, sous forme de pastil<strong>le</strong>s, seraitenfermé dans <strong>des</strong> gaines (voir ci-<strong>des</strong>sus). Pourtransposer cette technologie utilisée aujourd’huidans <strong>le</strong>s centra<strong>le</strong>s, il faut innover dansdeux directions. D’une part, créer une microstructurecapab<strong>le</strong> de retenir <strong>le</strong>s produits defission au sein du combustib<strong>le</strong>. D’autre part,trouver de nouveaux matériaux <strong>pour</strong> la gaine,<strong>des</strong> céramiques composites (SiC) ou <strong>des</strong> céramiques-métal(Cermet), capab<strong>le</strong>s de résisterà la fragilisation due à l’irradiation ou au cyclagethermique, ainsi qu’aux très hautes températuressusceptib<strong>le</strong>s d’être atteintes en situationaccidentel<strong>le</strong> (1600°C).Cyc<strong>le</strong> ferméAfin de mieux utiliser <strong>le</strong>s ressources d’uraniumet de limiter la production <strong>des</strong> déchets à vielongue, il est nécessaire de recyc<strong>le</strong>r l’ensemb<strong>le</strong>du combustib<strong>le</strong>. Dans <strong>le</strong>s centra<strong>le</strong>s actuel<strong>le</strong>s,l’accumulation <strong>des</strong> produits de fission del’uranium et la dégradation <strong>des</strong> propriétés ducombustib<strong>le</strong> qui l’accompagne imposent auxindustriels de renouve<strong>le</strong>r régulièrement <strong>le</strong>combustib<strong>le</strong> usé <strong>des</strong> centra<strong>le</strong>s. Seul <strong>le</strong> plutonium,qui représente environ 1% de cette matière,est réutilisab<strong>le</strong> sous forme de MOx dans <strong>le</strong>sréacteurs à eau pressurisée (REP). À l’avenir,<strong>le</strong>s systèmes <strong>nucléaire</strong>s devraient valoriser aumieux <strong>le</strong> combustib<strong>le</strong> en <strong>le</strong> recyclant intégra<strong>le</strong>mentdans <strong>le</strong> réacteur. Avec un tel recyclageintégral, seuls <strong>le</strong>s produits de fission sortirontde la bouc<strong>le</strong> <strong>pour</strong> former <strong>le</strong>s déchets ultimes.Tous <strong>le</strong>s autres éléments seront récupérab<strong>le</strong>s,«refabriqués» en combustib<strong>le</strong>, puis réintroduitdans <strong>le</strong> réacteur. Tout se passera commesi tout l’uranium 238 était converti en énergiepar fission via <strong>le</strong> plutonium. Et <strong>le</strong>s actini<strong>des</strong>mineurs (américium, neptunium et curium), <strong>le</strong>sdéchets <strong>le</strong>s plus radiotoxiques, sont <strong>pour</strong>l’essentiel éliminés par transmutation. ■Cyc<strong>le</strong> fermé du combustib<strong>le</strong> à l’horizon 2050En réacteur, la quantité de plutonium restera stab<strong>le</strong> grâceà l’uranium 238 qui en produit (voir schéma p.21) autantqu’il en est consommé. Dans un scénario optimal, <strong>le</strong>s opérationsde consommation en réacteur, traitement du combustib<strong>le</strong> usé,refabrication du combustib<strong>le</strong>, seraient réalisées sur un même site.© D. Hadjiyannakis2050Aujourd’hui, <strong>le</strong>s combustib<strong>le</strong>s usés sont traités<strong>pour</strong> en récupérer :<strong>le</strong> plutonium (1% du combustib<strong>le</strong> usé)dont une partie sert à la fabricationdu combustib<strong>le</strong> MOx (mixteuranium/plutonium);l’uranium, dit alors «de retraitement»,mis en réserve;<strong>le</strong>s déchets, produits de fissionet actini<strong>des</strong> mineurs constituantrespectivement 4% et 0,1% du combustib<strong>le</strong>usé, vitrifiés <strong>pour</strong> entreposage. Les différentesopérations – fabrication du combustib<strong>le</strong>, utilisationen réacteur et traitement du combustib<strong>le</strong> usé – sont réalisés sur<strong>des</strong> sites différents.<strong>CEA</strong>/Dcom - www.cea.fr© <strong>CEA</strong> 2003 - Tous droits réservés.12 • N°95 - AVRIL-MAI 2003 • LES DÉFIS DU cea


NUCLÉAIRE© <strong>CEA</strong>© <strong>CEA</strong>Combustib<strong>le</strong>à particu<strong>le</strong>sTriso,développéau <strong>CEA</strong> dans<strong>le</strong>s années1960.Combustib<strong>le</strong> à particu<strong>le</strong>s, un choix élémentaire ?Assurer <strong>le</strong> confinement <strong>des</strong> produitsde fission en fonctionnement normal eten cas d’accident est l’un <strong>des</strong> principauxobjectifs de sûreté <strong>des</strong> concepteursde centra<strong>le</strong>. Une innovation notab<strong>le</strong>dans ce domaine a été <strong>le</strong>développement, à partir <strong>des</strong> années1960, d’un nouveau type decombustib<strong>le</strong> dit à particu<strong>le</strong>s.Baptisées Triso, ces petitesbil<strong>le</strong>s d’un millimètre dediamètre confinent <strong>le</strong>combustib<strong>le</strong> <strong>nucléaire</strong>dans une gangueimperméab<strong>le</strong> constituéede trois couches dematériaux réfractaires.El<strong>le</strong>s ont fait l’objetde nombreuses étu<strong>des</strong>directement liées aux projetsde réacteurs à haute températureet ont été utilisées dans <strong>le</strong>s réacteursprototypes aux États-Unis, enAl<strong>le</strong>magne et au Royaume-Uni.En France, <strong>le</strong> choixde développer la filière <strong>des</strong> REP(réacteur à eau pressurisée) a conduità l’abandon <strong>des</strong> recherches dans cedomaine en 1979. L’intérêt désormaisrenouvelé <strong>pour</strong> <strong>des</strong> projets de réacteursà gaz à haute température à l’horizon2015 et la volonté de transposer ceconcept à de nouveaux combustib<strong>le</strong>s<strong>pour</strong> <strong>le</strong>s systèmes du <strong>futur</strong> amènent <strong>le</strong><strong>CEA</strong> à reconsidérer cette technologiede près. Au programme:la (ré)acquisition, d’ici 2004, du savoirfairenécessaire à <strong>le</strong>ur fabrication, <strong>le</strong>développement d’un modè<strong>le</strong> permettantde mieux caractériser <strong>le</strong>urs propriétésthermomécaniques et la recherchede nouveaux matériaux.Deux types de combustib<strong>le</strong> à l’étude…Combustib<strong>le</strong> dispersé à particu<strong>le</strong>s sphériquesCombustib<strong>le</strong> dispersé à bâtonnets hexagonauxCéramiquescompositesCombustib<strong>le</strong>EnrobageCéramiquescompositesEnrobageCombustib<strong>le</strong>… <strong>pour</strong> trois concepts d’assemblage de combustib<strong>le</strong>Assemblage de blocs compactsde combustib<strong>le</strong>s (<strong>le</strong>s canaux serventà laisser passer <strong>le</strong> gaz caloporteur)Assemblage de plaquesde combustib<strong>le</strong>sGaz caloporteurBloc de combustib<strong>le</strong>percé de canauxGaz caloporteurCombustib<strong>le</strong>Gaz caloporteur© D. HadjiyannakisRevêtementsupplémentaireCombustib<strong>le</strong>Combustib<strong>le</strong><strong>CEA</strong>/Dcom - www.cea.fr© <strong>CEA</strong> 2003 - Tous droits réservés.13 • N°95 - AVRIL-MAI 2003 • LES DÉFIS DU cea

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