Pastilles de combustible MOX

Essais mécaniques sur les pastilles de combustible MOX (©CEA-JOLY)

Définition et catégories

Le combustible MOX (ou MOx pour « Mélange d'OXydes » ou « Mixed Oxides » en anglais) est un mélange d’oxyde d’uranium (de l'ordre de 93%) et d’oxyde de plutonium (de l'ordre de 7%) utilisé dans certaines centrales électronucléaires pour limiter la consommation d’uranium naturel en recyclant le plutonium extrait des combustibles usés.

L’uranium est l’élément chimique de numéro atomique 92 et de symbole U. Le minerai d'uranium naturel est constitué de trois isotopes : l'uranium 238 (à 99,3%), l'uranium 235 (à 0,7%) et l'uranium 234 (à un taux <0,01%). Pour être utilisé comme combustible dans les centrales nucléaires actuelles, l’uranium doit être enrichi en isotope 235 (seul isotope nucléide fissile de l'uranium naturel), jusqu’à une teneur comprise entre 3% et 5%.

Le plutonium est l’élément chimique de numéro atomique 94 et de symbole Pu. Il n’existe quasiement plus dans la nature (hormis en quantités infimes) mais est créé par l’irradiation du combustible à l’uranium dans les réacteurs nucléaires. Le plutonium a de nombreux isotopes, tous radioactifs (de masse 232 à 246), ceux que l’on retrouve en plus grandes quantités dans le domaine de l’industrie nucléaire étant les isotopes de masse 239, 240 et 241. Comme l’uranium, le plutonium est une matière à haute valeur énergétique : la fission d’un gramme de plutonium produit plus d’énergie que la combustion d’une tonne de pétrole.

Le plutonium 239, isotope fissile, est produit dans les réacteurs nucléaires à partir d’uranium 238. L’uranium 238 capture un neutron et se transforme en uranium 239. A son tour, l’uranium 239 transmute en neptunium 239 par transformation d’un neutron en proton et éjection d’un électron. Le neptunium 239 se transforme enfin en plutonium 239 par un processus similaire.

Contexte

Le traitement du combustible nucléaire usé

Le traitement du combustible usé permet de séparer les matières valorisables (plutonium, uranium) des déchets ultimes (produits de fission). Il présente un triple intérêt :

  • le recyclage des matières énergétiques (uranium, plutonium) encore contenues dans le combustible usé, dont 96 % sont valorisables sous forme de combustible MOX ;
  • la simplification de l’entreposage (provisoire) ou du stockage (définitif) des déchets non valorisables qui sont isolés et conditionnés afin de réduire leur volume ;
  • la réduction par 10 de la toxicité à long terme des déchets ultimes et par 5 de leur volume. Ces derniers sont conditionnés comme des produits industriels suivant des spécifications techniques précises et approuvées internationalement.

Concrètement, les combustibles sont retirés du cœur du réacteur nucléaire au bout de trois ou quatre ans. Ils sont alors stockés dans les piscines des réacteurs des centrales nucléaires pour commencer leur « désactivation ». Puis ils poursuivent cette désactivation pendant cinq à huit ans dans les piscines de l’usine de retraitement de La Hague (France).

A l'issue de cette période de désactivation, les assemblages sont sortis de l’eau et cisaillés en tronçons de quelques centimètres. Le matériau nucléaire est alors extrait par dissolution dans de l'acide. Grâce à des solvants, les produits de fission (plutonium et uranium) sont séparés. L’uranium est concentré sous forme de nitrate liquide puis reconverti en un gaz, l'hexafluorure d'uranium (UF6), ou bien transformé en oxyde pour un recyclage ultérieur. Le plutonium est conditionné sous forme d’oxyde en boîtes étanches. Il peut ainsi être recyclé et intégré dans la fabrication de combustible MOX.

Quant aux déchets, ils font l’objet de conditionnements spécifiques en colis standards approuvés internationalement par les autorités de sûreté en fonction de leur nature et de leur radioactivité.

Fonctionnement technique ou scientifique

La fabrication du combustible MOX

Les techniques de fabrication du combustible MOX sont similaires à celles mises en œuvre lors de la production du combustible nucléaire conventionnel à base d’uranium enrichi (combustible « neuf »). Cette fabrication se déroule en 5 étapes(1).

1) Le mélange des poudres
Un « mélange primaire » est tout d’abord constitué à partir de poudres d'oxyde de plutonium, d'oxyde d'uranium appauvri et de chamotte obtenue à partir de pastilles broyées (voir étape 3). De l’uranium appauvri est ensuite ajouté afin d'obtenir la teneur requise. Ce mélange final est appelé « mélange secondaire ».

2) Le frittage
Le mélange secondaire obtenu est ensuite compacté sous forme de pastilles. Ces dernières sont cuites dans un four à haute température pour être converties en céramique.

3) La rectification
Afin d’obtenir le diamètre requis (au micron près), les pastilles sont rectifiées entre deux meules. Les pastilles non conformes sont renvoyées en amont pour y être recyclées sous forme de chamotte (étape 1).

4) Le grainage
Les pastilles sont insérées dans des tubes en alliage de zirconium appelés « crayons ». Chaque crayon mesure environ 4 mètres de long et est composé d'environ 320 pastilles. Les crayons sont ensuite nettoyés, puis contrôlés.

5) L’assemblage
La dernière étape consiste à insérer les crayons dans une structure métallique pour former un « assemblage ». Cet assemblage constitue le produit fini. Ces assemblages sont également soumis à des contrôles de fabrication pour garantir leur futur comportement en réacteur.

Précisons que le combustible MOX usagé est stocké en piscine de désactivation et traité comme déchet.

Enjeux énergétiques

Le recyclage du plutonium présente trois avantages principaux :

  • la limitation des quantités de plutonium produit par les centrales. En effet, un réacteur qui fonctionne avec 30 % de combustible MOX consomme autant de plutonium qu’il en produit. Il contribue ainsi à l’effort de stabilisation des stocks de matières nucléaires ;
  • la réduction de la toxicité à long terme des déchets ;
  • des économies importantes d’uranium enrichi et donc d’uranium naturel.
Zone de présence ou d'application

Le combustible MOX dans le monde

Comparable au combustible « neuf » à l’uranium enrichi pour le comportement en réacteur, le combustible MOX est utilisé depuis plus de 40 ans dans des réacteurs à eau légère : depuis 1972 en Allemagne, 1984 en Suisse, 1987 en France, 1995 en Belgique.

Actuellement, une trentaine de réacteurs européens fonctionnent en partie avec du combustible MOX et sont dits « MOXés ». En France, EDF utilise du combustible MOX dans 22 réacteurs techniquement adaptés pour recevoir ce type de combustible (2 réacteurs supplémentaires ont reçu en 2014 une autorisation pour utiliser du MOX) sur les 58 réacteurs du parc nucléaire français. Au Japon, l’utilisation du combustible MOX avait débuté en 2009, date à laquelle il était prévu de charger 16 à 18 réacteurs avec ce type de combustible, dont le réacteur 3 de la centrale de Fukushima Daiichi qui avait été rénové en 2010 pour être « MOXé ». En juillet 2017, 3 des 5 réacteurs japonais remis en service après l'accident de Fukushima Daiichi sont MOXés.

Les assemblages MOX occupent 30% du cœur du réacteur, les 70% restants étant des assemblages contenant de l’uranium enrichi.

Chiffres clés
Le saviez-vous ?

Le combustible MOX est également utilisé pour transformer du plutonium militaire en source d'énergie civile. La technologie MOX française a été retenue dans le cadre du programme de non-prolifération mis en place par les États-Unis et la Russie. Ce programme vise à éliminer une partie des stocks de plutonium d'usage militaire excédentaires (68 tonnes) en les utilisant dans du combustible pour produire de l’électricité.