Introduction

De nos jours l’énergie nucléaire est devenue une source d’énergie importante dans le monde, elle représente même la majeure partie de la production d’électricité dans certains pays développés (Etats-Unis, France, Russie, Corée du sud et la Chine). Le parc nucléaire mondial compte 437 réacteurs en fonctionnement, répartie dans 30 pays. Plus de 60 % de tranches sont des réacteurs a eau pressurisée (REP).

L'utilisation de l'énergie nucléaire dans le monde reste quelque chose qui fait un débat surtout le dernier accident nucléaire de la centrale de Fukushima en mars 2011 qui a mis au point sur l’efficacité et la sûreté des installations nucléaires dans certains pays. En effet, cette énergie présente des avantages comme des inconvénients:

AVANTAGES

• Grande puissance

• Pas d’émission de CO2

• Disponible toute l’année

• Pas cher à produire

• Installation de moyenne durée (40 ans jusqu’à 60 ans)

 DÉSAVANTAGES

• Rendement faible (30%)

• Risques nucléaires en cas d’accident

• Problème des déchets nucléaires

• Coûts d’installation et d’entretien

• Ressources en uranium limitées

Toutefois, malgré une légère baisse du nombre de réacteurs en activité par rapport à 2011, les perspectives d’évolution du parc électronucléaire mondial restent à la hausse, portées par les pays en voie de développement. 

Les déchets nucléaires

Les activités nucléaires produisent des déchets radioactifs qui sont gérés selon leur niveau d’activité et leur durée de vie.

Les déchets radioactifs sont générés:

Ø  Lors du cycle du combustible.

Ø  lors des opérations d’un réacteur nucléaire de recherches ou de production d’électricité.

Ø  lors de la production des radio-isotopes et/ou lors de  l’utilisation de ces radio-isotopes dans la médecine, l’agriculture, la recherche et l’industrie. 

Déchets radioactifs

Les déchets radioactifs sont des substances radioactives  pour lequel aucune utilisation ultérieure n’est prévue ou envisagée.

Classements des déchets radioactifs

La classification des déchets nucléaires reposent sur deux paramètres :

                          Ø  Leur niveau d’activité (l’intensité du rayonnement).

                                                       ØLeur durée de vie (permet de définir leur nuisance potentielle).

Donc on distingue les déchets radioactifs selon leurs activités et durés de vie:

Ø Déchet à vie très courtes (origine : application médicale dont la période est <100 jours).

Ø  Déchets à vie courte de faible et moyenne activité (période de moins de 30 ans) qui proviennent principalement de l’industrie nucléaire et quelque laboratoire de recherche.
Ø  Déchet à vie longue de faible et moyenne activité : qui résultent du traitement du combustible usée, maintenance des installations nucléaires et des déchets contaminés contenant du radium.
Ø  Déchet à vie longue et à haute activité : matières non recyclables issues du traitement des combustibles usés dans les centrales nucléaires.

Système de gestion de déchets radioactifs

Ségrégation :

Pour faciliter la manipulation, le traitement et l’évacuation ultérieurs des déchets radioactifs, il est nécessaire de séparer ces derniers à l’origine de leur production selon leurs propriétés:

                  ØChimique

                  ØPhysiques

                  ØBiologiques

                  ØRadiologiques

                            

Prétraitement

Le prétraitement implique une variété d'activités applicables au déchet radioactif qu’il soit liquide ou solide et peut être défini comme n'importe quelles opérations précédant le traitement des déchets radioactifs. 

Traitement

Le traitement des déchets radioactifs peut être fait:

                    Ø Pour des raisons économiques (par ex. réduire le volume pour l'entreposage ou le stockage, ou récupérer "une ressource" du déchet).

                    Ø Ou des raisons de sûreté (par ex. convertir le déchet en une forme plus stable, comme celle qui contiendra tous les radioéléments pendant une longue période).

Conditionnement

Le conditionnement consiste en des opérations qui produisent un colis de déchets convenable pour la manipulation, le transport, l'entreposage et/ou le stockage.

L’immobilisation

L'immobilisation des déchets radioactifs est une étape importante dans la gestion des déchets radioactifs qui devait minimiser:

                              Ø une éventuelle migration.

                  Øune dispersion de radionucléides dans l'environnement pendant l'entreposage, la manipulation, le transport et le stockage.

Entreposage

L’Agence Internationale de l’énergie Atomique définit l’entreposage comme :

« La mise en place des déchets radioactifs dans une installation nucléaire où l'isolement, la protection de l’environnement et le contrôle  humain sont assurés dans l’intention que le déchet sera récupéré postérieurement.»

Transport

Le transport de déchet radioactif est nécessaire quand le déchet est produit dans un site différent de celui où il est traité, entreposé ou stocké. Le déchet est régulièrement transporté par la route, le train et la mer.

La forme du déchet radioactif à être transporté a un grand impact sur la sécurité des opérations de transport. Quand la forme du déchet est solide et homogène, il y a seulement un risque minime  pour la dispersion de la matière même si le paquet est endommagé, tandis que, par exemple, pour un déchet liquide, la dispersion sera facile.

Donc pour autoriser le transport des déchets  inconditionnés, les conteneurs doivent à des exigences plus strictes.

Stockage

Définition de l'AIEA

« la mise en place des déchets radioactifs dans une installation approuvée (par exemple stockage surfacique ou géologique) sans intention de récupération. »

La distinction primaire entre le stockage et l’entreposage est l'expression :     

"sans intention de récupération".

Si la récupération du déchet radioactif est prévue, alors c'est:

 "un entreposage à long terme".

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Moyen de prospection

Méthodes de prospection: les plus couramment utilisées font appel soit à la radioactivité d’un descendant de l’uranium,  soit  directement  à  la  teneur  chimique  en  uranium  dans  les eaux ou dans les roches.

Radiométrie de surface:

Ø 
C’est La technique la plus utilisée pour l’examen des sols.

Ø  On utilise des scintillateurs ou des GM (Geiger Muller) pour  mesurer  les rayonnements émis par les éléments radioactifs présents dans les roches.

Ø  Appareils de grande efficacité de détection.

Ø Les appareils de prospection sont des radiomètres qui peuvent déterminer l’énergie spécifique des rayonnements gamma et donc la nature du radioélément émetteur.

Géochimie des sols, des eaux et des alluvions

q  La  prospection  géochimique  permet  la  mesure  des  teneurs  en uranium des sols, des eaux de surface et des alluvions de rivière.

q  L’analyse des constituants majeurs des eaux peut révéler la présence des  traces d’uranium.

q  Mesure de l’intensité du rayonnement émis par un échantillon lorsqu’il est excité  par une lumière ultraviolette (Laser par exemple). Cette fluorescence révèle  l’existence des uranyles.

Étude des gaz émis (hélium et radon)

L’Uranium est là depuis la création de la Terre et se désintègre lentement. Sa période radioactive, est de 4,5 milliards d’années soit approximativement l’âge de la Terre. En se désintégrant, l’uranium-238 donne du thorium-234 (²³⁴Th) qui est aussi radioactif, avec une période de 24,1 jours.

Le thorium-234 se désintègre ensuite en protactinium-234 (²³⁴Pa) (voir la figure 1) qui est aussi radioactif avec une période de 1,2 minute.

Ayant des propriétés chimiques différentes, les constituants radioactifs de ces chaînes (ou familles) n’auront pas le même devenir lorsqu’ils sont libérés de la roche.

Parce qu’il est soluble et de longue période, le radium-226 (²²⁶Ra) pourra être transporté sur de grandes distances, a contrario de son ascendant le thorium-230 (²³⁰Th) qui associé à des particules et très peu mobile.

Centrale nucléaire

Une centrale nucléaire est un site industriel qui utilise la fission de noyaux atomiques pour produire de la chaleur, qui produira de la vapeur d'eau, laquelle entraînera la rotation d'un générateur producteur à son tour d’électricité.

Ce principe de fonctionnements est le même que celui qui est utilisé dans les centrale thermiques classiques fonctionnant avec du charbon, du pétrole ou du gaz à cette différence le combustible utilisé comme source de chaleur est constitué par l’uranium.

Une centrale nucléaire se compose de 4 parties principales :

• Le bâtiment contenant le réacteur dans lequel a lieu la fission
• La salle des machines où est produite l'électricité
• Les départs de lignes électriques qui évacuent et transportent l'électricité
• Des tours de refroidissement uniquement en bord de rivière

L'énergie nucléaire n'émet pas de gaz à effet de serre. Elle est utilisable en grandes quantités grâce aux puissances qu'elle génère et elle est très compétitive.

Différentes familles de réacteurs

Une centrale nucléaire est destinée à produire de l’électricité à partir d’un combustible nucléaire. Cependant, même si le principe de fonctionnement est identique dans toutes les centrales nucléaires, il existe plusieurs familles de réacteurs, que l’on appelle filières (voir tableau).

Fonctionnement d’une centrale nucléaire

Un réacteur nucléaire comprend toujours au moins un cœur où se déroule la réaction de fission nucléaire, des réflecteurs et des moyens de contrôle de la réaction, une cuve métallique, et enfin une enceinte de confinement.

Les noyaux atomiques très lourds tels que l'uranium ou le plutonium contiennent énormément de protons, et sont instables. Si l'un de ces atomes très lourd (par exemple l'uranium 235 ou le plutonium 239) capture un neutron, il se transforme en un noyau encore plus instable (²³⁶U ou ²⁴⁰Pu), et récupère par la même occasion de l'énergie.

Le noyau résultant se divise très rapidement: il fissionne, en se divisant en deux noyaux principaux, et en libérant deux ou trois neutrons supplémentaires, libres. Ces neutrons supplémentaires sont disponibles pour d'autres fissions de noyau : c'est le principe de la réaction en chaîne.

Les neutrons libérés dans la fission sont de deux catégories:

• Les neutrons Prompt (plus de 99% de tous les neutrons sont prompts)  libérés dans un délai de 10^{- 14}s.    
•  Les neutrons retardés sont émis un certain temps après la fission (du milliseconde  jusqu'au minute).

Le nombre moyen de neutrons libérés dans la fission est conçu comme u.

Les neutrons retardés n'ont pas les mêmes propriétés que les neutrons  rapides libérés directement de la fission.

L'énergie moyenne des neutrons prompts est d'environ 2 MeV. Celle ci est beaucoup plus grande que l'énergie moyenne des neutrons retardés (environ  0,5 MeV).

Le fait que les neutrons retardés sont nés à basses énergies (en comparaison avec les prompts) a deux conséquences importantes:

         1.    Les neutrons retardés ont une moins de probabilité pour provoquer des fissions rapides parce que leur énergie moyenne est inférieure au minimum requis pour produire une fission rapide.

        2.    Les neutrons retardés ont mois de probabilité de fuite puisqu’ils parce qu'ils sont nés à des énergies plus basses, puis parcourent une courte distance à l’état rapide.

Le circuit primaire

Dans le réacteur, la fission des atomes d'uranium produit une grande quantité de chaleur.
Cette chaleur fait augmenter la température de l'eau qui circule autour du réacteur, à 320 °C. L'eau est maintenue sous pression pour l'empêcher de bouillir. Ce circuit fermé est appelé circuit primaire.

Le circuit secondaire

Le circuit primaire communique avec un deuxième circuit fermé, appelé circuit secondaire par l'intermédiaire d'un générateur de vapeur. Dans ce générateur de vapeur, l'eau chaude du circuit primaire chauffe l'eau du circuit secondaire qui se transforme en vapeur. La pression de cette vapeur fait tourner une turbine qui entraîne à son tour un alternateur. Grâce à l'énergie fournie par la turbine, l'alternateur produit un courant électrique alternatif.

Un transformateur élève la tension du courant électrique produit par l'alternateur pour qu'il puisse être plus facilement transporté dans les lignes très haute tension.

Le circuit de refroidissement

À la sortie de la turbine, la vapeur du circuit secondaire est à nouveau transformée en eau grâce à un condenseur dans lequel circule de l'eau froide en provenance de la mer ou d'un fleuve. Ce troisième circuit est appelé circuit de refroidissement.
En bord de rivière, l'eau de ce 3e circuit peut alors être refroidie au contact de l'air circulant dans de grandes tours, appelées aéroréfrigérants.Les 3 circuits d'eau sont étanches les uns par rapport aux autres.

Salle de commande

La marche d'un réacteur nucléaire peut être contrôlée avec précision. Pour le faire démarrer, l'arrêter, le faire fonctionner à différents niveaux de puissance, on agit sur l'intensité de la réaction en chaîne au moyen de barres de contrôle constituées de matériaux qui ont la faculté d'absorber les neutrons. La descente de ces barres dans le cœur du réacteur provoque l'absorption des neutrons et donc le ralentissement de la réaction en chaîne .En cas de situations anormales, des barres de sécurité chute automatiquement dans le cœur et stop instantanément le réacteur.

Maintenance

Une centrale nucléaire rassemble et relie entre eux, selon une organisation complexe, des milliers de composants : réservoirs, tuyauteries, vannes, pompes, filtres, câbles électriques, instruments de mesure, circuits informatiques, etc. Cet ensemble doit impérativement être maintenu en état de bon fonctionnement. C’est la condition pour garantir la sécurité du personnel, la sûreté et la performance de l’installation. Dans les centrales françaises, cette maintenance est organisée à trois niveaux complémentaires :

Ø   Maintenance quotidienne 

Ø   Maintenance annuelle programmée

Ø   Visite décennale

Maintenance quotidienne : les agents de maintenance surveillent de façon continue l’état des équipements et effectuent les ajustements ou réparations nécessaires.

Maintenance annuelle programmée : tous les ans, chacune des tranches de la centrale est arrêtée durant 5 à 6 semaines pour un rechargement en combustible et pour des opérations d’entretien de grande ampleur. A cette occasion, des techniciens et ouvriers venus d’entreprises extérieures apportent leur soutient et leurs expertise pour ce travail de révision.

Visite décennale : tous les dix ans, une inspection complète et détaillée de la tranche est effectuée. Les principaux composants : cuve, circuit primaire, générateurs de vapeur, pressuriseurs, enceinte de confinement… font l’objet d’examens et tests approfondis. 

Inspection par robot MIS de la cuve du réacteur de la tranche 1 de la centrale de Nogent sur Seine

L’extraction de l’uranium 

L’uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C’est un élément  radioactif de période très longue (~ 4.4668 milliard d'années pour l'uranium 238 et ~ 703.8 million pour l'uranium 235).Il dégage beaucoup d’énergie c’est pour ça l'uranium est devenu la principale matière première utilisée par l'industrie nucléaire.

L’uranium est un métal relativement répandu dans l’écorce terrestre. Sous forme solide. L’extraction s’effectue dans des galeries souterraines. Comme la plus part des minerais, l’uranium n’est pas extrait sous sa forme pure mais a l’état de roches,  combinés à d’autres éléments chimiques. 

Traitement de l’uranium 

Les roches sont d’abord concassées et finement broyées, puis l’uranium est extrait par diverses opérations chimiques. Le concentré fabriqué a l’aspect d’une pâte jaune appelée “yellow  cake".

L’uranium est un métal qui s’oxyde très rapidement au contact de l’oxygène de l’air, se transformant en oxyde d’uranium.

Le concentré d’uranium ne peut pas être utilisé tel quel dans les réacteurs nucléaires.

L’oxyde d’uranium doit d’abord être débarrassé des impuretés par différentes étapes de purification pour les raisons suivantes :

ü  certaines sont des absorbants neutroniques et mettent donc en cause le fonctionnement des réacteurs (bore et cadmium, par exemple).

ü  certaines entraînent des risques de corrosion (fluorures, chlorures).

ü  certaines rendent le raffinage et la conversion onéreux.

Après plusieurs transformations chimiques  et un raffinage on obtient enfin un uranium complètement pur. Très pur, il est ensuite converti en tétrafluorure d’uranium (UF4) constitué de quatre atomes de fluor et d’un atome d’uranium.

L'enrichissement, augmenter la proportion d'U-235

Le minerai d’uranium ne constitue pas directement le combustible nucléaire nécessaire à la production d’électricité. La plupart des réacteurs utilisent comme combustible un uranium contenant entre 3 et 5 % d'uranium 235. L'uranium naturel n'en contient que 0,7 %. Il convient donc d'augmenter la concentration en uranium 235 pour obtenir une matière utilisable dans les réacteurs nucléaires : c'est l'enrichissement. 

Deux procédés industriels d’enrichissement de l'uranium sont exploités au niveau mondial : la diffusion gazeuse et la centrifugation.

Diffusion gazeuse

Avant son enrichissement par ce procédé,le tétrafluorure d’uranium, obtenu après extraction du minerai et raffinage, sera transformé en hexafluorure d’uranium (UF6) qui a la propriété d’être gazeux à partir de 56 °C.

Le procédé par diffusion gazeuse consiste à faire passer l’UF6 à l’état gazeux à travers une multitude de “barrières” qui sont des membranes percées de trous minuscules. Les molécules d’hexafluorure d’uranium 235, plus légères que celles d’hexafluorure d’uranium 238, traversent un peu plus rapidement chaque barrière, ce qui permet d’enrichir peu à peu l’uranium.

L’opération doit être répétée 1400 fois pour produire un uranium assez enrichi en uranium 235, alors utilisable dans des centrales nucléaires classiques.

 la centrifugation

Ce principe de séparation utilise une centrifugeuse qui, telle une essoreuse à salade tournant à grande vitesse, projette plus vite à sa périphérie l’hexafluorure d’uranium 238 que l’hexafluorure d’uranium 235 qu’elle contient.
La très légère différence de masse entre les deux molécules permet ainsi d’augmenter petit à petit la concentration en uranium 235.

Là encore, de nombreuse étapes successives sont nécessaire pour obtenir un enrichissement suffisant.

Fabrication du combustible

Après enrichissement, l’hexafluorure d’uranium est converti en oxyde d’uranium sous la forme d’une poudre noire.
L’uranium sera compressé en pastille de 7g, cuite à très haute température. Les pastilles sont enfilées dans des tubes en métal de 4 m de long dont les extrémités sont bouchées, pour constituer ce que l'on appelle des crayons.

Les crayons sont ensuite assemblés en réseaux verticaux (selon le type de réacteur) crayons parallèles.Des grilles horizontales assurent le maintien en faisceaux.

Chaque crayon sera ensuite assemblé avec plusieurs autres en fagots afin de former l’assemblage de combustible.

Ces "assemblages" sont introduits dans le cœur du réacteur pour alimenter  la réaction en chaîne pendant 2 à 3 ans.