L'amont du cycle du combustible nucléaire

L’amont du cycle du combustible nucléaire comprend les opérations menées depuis l’extraction du minerai dans les mines jusqu’à la mise à disposition de l’uranium enrichi au fabricant d’assemblages de combustible nucléaire.

De l’extraction au concentré d’uranium

L’uranium est un métal assez répandu dans l’écorce terrestre. Il est contenu dans des minerais dont les gisements se trouvent dans des mines à ciel ouvert ou dans des galeries souterraines. Une nouvelle technologie, appelée lixiviation in situ, s’est répandue au cours des dernières années. C’est un procédé qui permet de dissoudre des métaux, dont l’uranium, directement dans le gisement. Aujourd’hui, près de la moitié de la production mondiale est obtenue par lixiviation in situ.

En 2014, les principaux producteurs d’uranium ont été dans l’ordre: le Kazakhstan, le Canada, l’Australie, le Niger, la Namibie, la Russie, l’Ouzbékistan, les États-Unis, la Chine et l’Ukraine. La production mondiale des mines d’uranium s’est élevée à 56 217 tonnes en 2014. (Source: Statistiques de la World Nuclear Association)

L’uranium est extrait du minerai par une série de procédés qui permettent d’obtenir un uranium très concentré. C’est le yellow cake, une poudre jaune qui contient environ 75 % d’uranium, ou 750 kg d’oxyde d’uranium par tonne. Le yellow cake va ensuite être raffiné afin d’obtenir un uranium pratiquement pur sous forme d’octoxyde d’uranium (U3O8).

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L’amont du cycle du combustible et les acteurs belges


Le saviez-vous ? 

Les 2/3 de la production mondiale d’uranium sont assurés par le Kazakhstan (41 %), le Canada (16 %) et l’Australie (9 %). La mine de Mc Arthur River au Canada (galeries souterraines) a produit à elle seule 13 % de la production mondiale en 2014.

yellow cake

Yellow cake

C’est sur le marché de ce produit que SYNATOM négocie des contrats d’approvisionnement. Elle achète dans une fourchette de 800 à 1 300 tonnes, avec une moyenne de 1 000 tonnes par an lorsque les 7 réacteurs belges sont en fonctionnement.

SYNATOM travaille avec une vision sur le long terme. Elle intègre le planning des arrêts périodiques des réacteurs ainsi que les caractéristiques des cycles d’utilisation du combustible.

SYNATOM dispose également de réserves stratégiques qui lui permettent de s’adapter aux fluctuations du marché ainsi qu’aux aléas techniques éventuels survenant dans les centrales nucléaires. Le stock stratégique de SYNATOM s’inscrit parfaitement dans le cadre des recommandations de l’Agence d’Approvisionnement de l’EURATOM)

Le marché de l’uranium naturel est très spécifique. Les prix actuels, relativement bas, ne permettent pas d’assurer la rentabilité des mines. Certaines sont mises  sous cocon dans l’attente de meilleures conditions économiques.

Le saviez-vous ? 

Yellow cake, c’est sous cette forme que l’uranium est commercialisé. Lorsque l’on parle du prix de la tonne d’uranium sur le marché, il s’agit en réalité du prix de la tonne de yellow cake. En 2015, celle-ci se situait dans une fourchette entre 30 et 40 dollars US la livre.

La conversion du yellow cake en hexafluorure d’uranium

La phase de conversion a pour but de transformer le yellow cake en hexafluorure d’uranium pur (UF6). Ce gaz va ensuite être comprimé et refroidi pour atteindre un état liquide. Pour le transport, il va être placé dans un conteneur spécial où il sera refroidi jusqu’à atteindre un état solide. Il pourra alors être acheminé vers l’usine d’enrichissement.

Le marché de la conversion se caractérise par le nombre restreint d’opérateurs. Le Canada, la France, le Royaume Uni, les États-Unis, la Russie et la Chine disposent de ce type d’installation.

SYNATOM privilégie un approvisionnement s’appuyant sur une diversification des fournitures.

L’enrichissement

 

Avant enrichissement, 1 kg d’uranium naturel est composé de 990 grammes d’uranium 238, de 7 grammes d’uranium 235 et près de 3 grammes d'uranium 234. Seul l’uranium 235 est fissile mais il n’est pas, avec ses 0,7 %, en proportion suffisante pour être utilisable dans les centrales nucléaires de type à eau pressurisée (PWR = pressurized water reactor) comme installées en Belgique.
Pour alimenter les réacteurs nucléaires à eau sous pression, il faut un combustible dont la proportion d’uranium 235 se situe entre 3 et 5 %. En effet, seul l’isotope 235 peut subir la fission nucléaire libératrice d’énergie.

Aujourd’hui, la technique d’enrichissement par centrifugation a complètement supplanté la technique par diffusion gazeuse beaucoup trop énergivore.

 

 

uranium 238

uranium 235

uranium 234

Comment ça marche? Pour faire simple …

Il est possible de différencier l’uranium 235 de l’uranium 238 grâce à leur légère différence de masse. Cette différence se traduit aussi par une différence de mobilité.

Le procédé consiste à faire tourner à très grande vitesse dans une centrifugeuse, l’hexafluorure d’uranium revenu à l’état gazeux par chauffage (56°C).

Les molécules les plus lourdes, sous l’effet de la force centrifuge sont envoyées à la périphérie du tube tandis que les plus légères (U235) migrent vers le centre et le sommet du cylindre.

L’opération doit être répétée un très grand nombre de fois pour atteindre l’enrichissement souhaité.

Comme pour la conversion, le marché de l’enrichissement est dominé par 4 grandes sociétés:

  • URENCO qui possède des usines aux Pays-Bas, en Allemagne et au Royaume-Uni;
  • AREVA (France)
  • CENTRUS aux États-Unis;
  • TENEX en Russie.

La Chine et le Japon disposent également d’installations  d’enrichissement.

SYNATOM négocie des contrats d’enrichissement avec plusieurs sociétés spécialisées. SYNATOM veille aux spécificités attendues par l’exploitant nucléaire. SYNATOM gère ensuite le transfert de l’hexafluorure d’uranium enrichi vers l’usine de fabrication des assemblages de combustible qui lui aura été désignée par l’exploitant.

À partir de ce moment, le combustible nucléaire est de la responsabilité de l’exploitant des réacteurs, ELECTRABEL.

Le saviez-vous ? 

L’UTS pour unité de travail de séparation (Separative work units – SWU en anglais) est l’unité de mesure des services d’enrichissement. C’est l’unité de référence pour les contrats. Elle est utilisée pour évaluer le coût de la séparation d’un kilogramme d’uranium en deux lots de teneur isotopique différente, dans le cadre du processus d’enrichissement de l’uranium. Elle sert aussi à évaluer la capacité de production d’une usine.