Energie nucléaire : des pistes pour le futur - CEA

DOSSIERAu cœurdu réacteur du futurMeilleure exploitationdes combustibles,résistance accruedes matériaux etsécurisation descircuits: les optionssont à l’étude pourfaire naître le réacteurde la génération IV.Au propre comme au figuré, la questiondu combustible nucléaire estau cœur du réacteur du futur. L’enjeuest considérable, puisqu’il s’agit de faired’une chaîne, allant de la fabrication du combustiblejusqu’aux déchets (aujourd’hui, lesproduits de fission et les actinides mineurs),un cycle. En amont de la chaîne actuelle, sepose le problème de la gestion des ressourcesnaturelles en uranium. En aval, il faudra limiterla production de déchets radioactifs. Lecombustible du futur devra donc ménagerles deux extrémités et les relier. Pour cela, ildevra permettre de consommer l'uranium238, de brûler le plutonium, de transmuterles actinides mineurs afin de réduire lesdéchets les plus radiotoxiques aux seuls produitsde fission tout en étant compatible avecles technologies «hautes températures» et/ou«à neutrons rapides », très différentes de cellesmises en œuvre dans les réacteurs à eausous pression actuels. Ce qui implique le«reformatage » complet des combustiblesdes réacteurs de quatrième génération : entermes de composition, de conditionnementet de techniques de recyclage. Le combustibleusé devra être régulièrement débarrassédes produits de fission et réapprovisionnéen uranium 238.Le carburant du nucléaireLe combustible des systèmes de quatrièmegénération à neutrons rapides aura une compositiondifférente de celui employé dans leparc 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’actinides mineurs(neptunium, américium et curium).L’enrichissement de l’uranium, une des étapesde fabrication du combustible actuel, nesera donc plus nécessaire. Le neutron rapide,à la base de la technologie de ces réacteursdu futur, induit deux réactions. Lors de lapremière, il est capturé par un noyau d’uranium238 qui se transforme alors en plutonium239. Dans la seconde, le plutoniumainsi formé fissionne et fournit l’énergienécessaire à la production de l’électricité. IlLe combustible dans les centrales actuellesDans les réacteurs à eau pressurisée(REP) actuels, le combustible estde l’oxyde d’uranium (UOx). Il estempilé sous forme de «pastilles»,dans des «gaines» de 4m de longfaites d’alliage de zirconium.Bouchées aux extrémités puismaintenues par des structuresen grilles, celles-ci formentdes assemblages de «crayons».Le cœur d’un réacteur de 900MWde puissance renferme ainsi157 «assemblages» de 264 «crayons»entre lesquels circule le fluidecaloporteur. Ici de l’eau sous pression.Pastilles© DRCrayons© CEACEA/Dcom - www.cea.fr© CEA 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 des deuxréactions, permettent au processus de s’autoentretenir.Pour rester efficaces, les neutrons ne doiventpas ralentir dans le cœur du réacteur : il fautdonc favoriser leur rencontre avec le combustible. «Il s’agit en particulier de concentrerle maximum de combustible en un minimumde volume», explique Philippe Brossard,chef des projets «Cœur, combustible et cyclepour les systèmes du futur» au CEA, à Saclay.Les spécialistes des matériaux envisagentdonc de remplacer les oxydes des combustiblesactuels – oxyde d’uranium (UOX) etoxydes mixtes d’uranium et plutonium(MOX) –, par d’autres composés capablesde contenir plus de matière fissile. Ainsi, leplutonium et l’uranium pourraient 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 pour l’oxyde d’uranium. De quoi intercepterle neutron le plus véloce…Rétentiondes produits de fissionUtiliser directement le fluide caloporteur d’unréacteur pour faire tourner une turbine quiproduira au final de l’électricité (cycle direct :voir pp. 17-18) impose des normes particulièresde sûreté. En fonctionnement normalet en cas d’accident, il s’agit, en effet, d’éviterque les produits de fission issus de laréaction nucléaire ne contaminent les circuitsde la centrale. La recherche s’oriente aujourd’huivers de nouveaux combustibles constituésde matériaux réfractaires et conçuspour confiner ces éléments jusqu’à de trèshautes températures (1 600 °C).Un des axes de recherche, sans doute le plusprometteur, est le développement de combustibleà base de particules. De petitesbilles, d’un diamètre maximum de 1 mm,constituées de 15 % de combustible dansleur partie centrale et d’un enrobage detrois à quatre couches de matériau >>>© CEA/M. Dormeval© CEA/J. PecegoLe choix des matériauxCéramique de carbure de titanevue en micrographieLe matériau des gainesde la quatrième générationdevra non seulement êtrecapable de résisterà de hautes températuresmais aussi avoir une bonnetenue mécanique. Si lescéramiques répondentbien à la première condition,les tests de flexion réalisésen laboratoiremontrent que leurs faiblesténacités et ductilitésles rendent trop fragiles.Vue au microscopedu faciès de ruptured’une plaquede carbure de titane.Machineà déflexionutilisée pourtester larésistancemécaniquedes matériauxAussi, les scientifiques cherchent-ils à renforcer ces matériaux en lesassociant 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’unsquelette métallique ou renforcées par des fibres métalliques .© CEA/P. WidentLe cœur de ces réacteurs serait typiquement composéde 40% de gaz (le fluide caloporteur), de 10%de matériaux de structures, de 25 % de composésd’actinides (uranium, neptunium, plutonium, américiumet curium), et de 25 % de matériaux d’enrobageassurant la rétention des produits de fission.CEA/Dcom - www.cea.fr© CEA 2003 - Tous droits réservés.11 • N°95 - AVRIL-MAI 2003 • LES DÉFIS DU cea

DOSSIER© CEAMise au pointd’un dispositif par«agglomérationvoie sèche » pourl’enrobage decombustible à particules.>>> réfractaire capable de piéger les produitsde fission, ont été mises au point auCEA dès les années 1960 (voir encadré).Toutefois, pour être compatibles avec lesneutrons rapides, ces particules devrontcontenir une plus grande quantité de combustible.Le défi actuel des spécialistesconsiste ainsi à porter cette proportion à60 %, en réduisant la part d’enrobage, et àrassembler ces particules en blocs compacts,par exemple par métallurgie des poudres.Au cœur du réacteur, ces blocs pourraientêtre en plaques disposées de façon à laisserle gaz caloporteur circuler entre elles, ou deforme hexagonale, directement percés decanaux. Quelle que soit la forme adoptée,l’étanchéité globale de ces blocs ou plaquesserait garantie par un revêtement et/ou unegaine externe.Autre voie explorée: celle des «crayons» oùle combustible, sous forme de pastilles, seraitenfermé dans des gaines (voir ci-dessus). Pourtransposer cette technologie utilisée aujourd’huidans les centrales, il faut innover dansdeux directions. D’une part, créer une microstructurecapable de retenir les produits defission au sein du combustible. D’autre part,trouver de nouveaux matériaux pour la gaine,des céramiques composites (SiC) ou des céramiques-métal(Cermet), capables de résisterà la fragilisation due à l’irradiation ou au cyclagethermique, ainsi qu’aux très hautes températuressusceptibles d’être atteintes en situationaccidentelle (1600°C).Cycle ferméAfin de mieux utiliser les ressources d’uraniumet de limiter la production des déchets à vielongue, il est nécessaire de recycler l’ensembledu combustible. Dans les centrales actuelles,l’accumulation des produits de fission del’uranium et la dégradation des propriétés ducombustible qui l’accompagne imposent auxindustriels de renouveler régulièrement lecombustible usé des centrales. Seul le plutonium,qui représente environ 1% de cette matière,est réutilisable sous forme de MOx dans lesréacteurs à eau pressurisée (REP). À l’avenir,les systèmes nucléaires devraient valoriser aumieux le combustible en le recyclant intégralementdans le réacteur. Avec un tel recyclageintégral, seuls les produits de fission sortirontde la boucle pour former les déchets ultimes.Tous les autres éléments seront récupérables,«refabriqués» en combustible, puis réintroduitdans le réacteur. Tout se passera commesi tout l’uranium 238 était converti en énergiepar fission via le plutonium. Et les actinidesmineurs (américium, neptunium et curium), lesdéchets les plus radiotoxiques, sont pourl’essentiel éliminés par transmutation. ■Cycle fermé du combustible à l’horizon 2050En réacteur, la quantité de plutonium restera stable grâceà l’uranium 238 qui en produit (voir schéma p.21) autantqu’il en est consommé. Dans un scénario optimal, les opérationsde consommation en réacteur, traitement du combustible usé,refabrication du combustible, seraient réalisées sur un même site.© D. Hadjiyannakis2050Aujourd’hui, les combustibles usés sont traitéspour en récupérer :le plutonium (1% du combustible usé)dont une partie sert à la fabricationdu combustible MOx (mixteuranium/plutonium);l’uranium, dit alors «de retraitement»,mis en réserve;les déchets, produits de fissionet actinides mineurs constituantrespectivement 4% et 0,1% du combustibleusé, vitrifiés pour entreposage. Les différentesopérations – fabrication du combustible, utilisationen réacteur et traitement du combustible usé – sont réalisés surdes sites différents.CEA/Dcom - www.cea.fr© CEA 2003 - Tous droits réservés.12 • N°95 - AVRIL-MAI 2003 • LES DÉFIS DU cea

NUCLÉAIRE© CEA© CEACombustibleà particulesTriso,développéau CEA dansles années1960.Combustible à particules, un choix élémentaire ?Assurer le confinement des produitsde fission en fonctionnement normal eten cas d’accident est l’un des principauxobjectifs de sûreté des concepteursde centrale. Une innovation notabledans ce domaine a été ledéveloppement, à partir des années1960, d’un nouveau type decombustible dit à particules.Baptisées Triso, ces petitesbilles d’un millimètre dediamètre confinent lecombustible nucléairedans une gangueimperméable constituéede trois couches dematériaux réfractaires.Elles ont fait l’objetde nombreuses étudesdirectement liées aux projetsde réacteurs à haute températureet ont été utilisées dans les réacteursprototypes aux États-Unis, enAllemagne et au Royaume-Uni.En France, le choixde développer la filière des REP(réacteur à eau pressurisée) a conduità l’abandon des recherches dans cedomaine en 1979. L’intérêt désormaisrenouvelé pour des projets de réacteursà gaz à haute température à l’horizon2015 et la volonté de transposer ceconcept à de nouveaux combustiblespour les systèmes du futur amènent leCEA à reconsidérer cette technologiede près. Au programme:la (ré)acquisition, d’ici 2004, du savoirfairenécessaire à leur fabrication, ledéveloppement d’un modèle permettantde mieux caractériser leurs propriétésthermomécaniques et la recherchede nouveaux matériaux.Deux types de combustible à l’étude…Combustible dispersé à particules sphériquesCombustible dispersé à bâtonnets hexagonauxCéramiquescompositesCombustibleEnrobageCéramiquescompositesEnrobageCombustible… pour trois concepts d’assemblage de combustibleAssemblage de blocs compactsde combustibles (les canaux serventà laisser passer le gaz caloporteur)Assemblage de plaquesde combustiblesGaz caloporteurBloc de combustiblepercé de canauxGaz caloporteurCombustibleGaz caloporteur© D. HadjiyannakisRevêtementsupplémentaireCombustibleCombustibleCEA/Dcom - www.cea.fr© CEA 2003 - Tous droits réservés.13 • N°95 - AVRIL-MAI 2003 • LES DÉFIS DU cea