Combustible nucléaire : ce qu’il faut retenir

Le combustible nucléaire joue un rôle crucial dans la production d'électricité bas carbone. A l’inverse des centrales à énergie fossile qui ont recours à la combustion de charbon, de fioul ou de gaz pour produire de l’énergie, les centrales nucléaires s’alimentent de combustible nucléaire pour fournir de l’électricité. Bien plus qu'une simple matière première, ce combustible représente une source d'énergie durable et responsable pour les générations futures. Découvrez les spécificités et les atouts de ces assemblages de haute technologie, qui participent activement à la sûreté du réacteur nucléaire

Le combustible nucléaire : une source d’énergie durable pour la production d'électricité

Source première d’énergie pour les centrales nucléaires, le combustible se compose d’uranium naturel enrichi ou recyclées sous l’apparence de pastilles cylindriques.
Le processus de fabrication du combustible nucléaire est déterminant pour garantir son efficacité en réacteur. Les pastilles, généralement d’un diamètre de 7 à 8 millimètres et d’une masse de près de 7 grammes chacune, sont logées dans des tubes métallique en alliage de zirconium d’environ 4 mètres de longueur, scellés à chaque extrémité, formant ainsi des crayons. Le choix du zirconium garantit une haute résistance à la corrosion par l’eau. Son utilisation est généralisée pour le gainage des combustibles utilisés dans tous types de réacteurs à eau légère.

Les crayons sont ensuite regroupés pour constituer des assemblages combustibles. Ces derniers, véritables batteries d'énergie, sont ensuite placés dans le cœur du réacteur pour déclencher le processus de production d'électricité.

Les différents types de combustibles nucléaires

Chacun des combustibles nucléaires présente des caractéristiques uniques et répond à des besoins spécifiques adaptés à chaque type de réacteurs dans le domaine de la production d'électricité. Focus sur les trois principaux types : le combustible UOX, le combustible MOX et le thorium, ainsi que sur le développement du combustible HALEU, indispensable à la prochaine génération de réacteurs. 

Le combustible UOX : la référence de l'énergie nucléaire

Le combustible UOX (Uranium OXide) est le plus couramment utilisé dans les réacteurs à eau pressurisée (REP) et à eau bouillante (REB), qui sont les réacteurs dominants dans le monde. Ce type de combustible est fabriqué à partir d'uranium naturel, enrichi pour augmenter sa proportion d'uranium-235 fissile.
Les pastilles de dioxyde d'uranium (UO2) sont soigneusement empilées dans des tubes en alliage de zirconium, formant ainsi des crayons de combustible.

Lors de son utilisation dans un réacteur, le combustible UOX produit de l'énergie par fission nucléaire, générant également du plutonium en cours de cycle. En fin de vie, environ 30 à 40 % de l'énergie produite par le combustible usé provient de la fission du plutonium, lequel représente encore 1 % de la composition du combustible usé.

Les assemblages combustibles dans les réacteurs à eau bouillante

Le combustible Mox : le traitement - recyclage nucléaire

La France se distingue par son approche du "cycle fermé", où le combustible usé est traité et recyclé pour optimiser la gestion des déchets et valoriser 96% de matières réutilisables : 95% d’uranium de retraitement (URT) et 1% de plutonium. Grâce au plutonium extrait et mélangé à de l’oxyde d’uranium, un nouveau combustible est fabriqué, le Mox.
Actuellement, environ 10 % de la production d'électricité nucléaire en France est produite grâce au Mox.

Le saviez-vous ?
Seulement 1g de plutonium (qui équivaut à 100g d’uranium), représente l’équivalent énergétique de plus d’1 tonne de pétrole !

Le thorium : une alternative prometteuse

Le thorium, bien que moins courant que l'uranium, est une alternative potentielle pour les réacteurs nucléaires. Dans le cœur du réacteur, ce matériau peut être transformé en uranium-233 fissile. Contrairement à l'uranium, l'utilisation du thorium produit moins d'actinides mineurs et aucun plutonium, réduisant les défis liés à la gestion à long terme des déchets nucléaires.

Des pays comme l'Inde, la Chine, les États-Unis, la Russie et plusieurs pays européens s’intéressent au développement de la filière thorium, avec une maturité industrielle attendue d'ici 20 à 30 ans.

Le combustible HALEU (High-Assay Low-Enriched Uranium) à base d’uranium faiblement enrichi à teneur élevé, est essentiel pour la prochaine génération de réacteurs nucléaires et les petits réacteurs modulaires (SMR/AMR). Il offre des avantages en termes de rendement et de sécurité énergétique. Sa densité énergétique accrue permet de produire plus d'énergie avec moins de combustible, réduisant ainsi la taille des réacteurs et prolongeant la durée de vie du combustible.
Toutefois, la production de HALEU en quantité suffisante pose un défi majeur. L'Union européenne estime avoir besoin de 700 à 1000 kg d'HALEU par an pour ses réacteurs de recherche d'ici 2035.
Aux États-Unis, le DOE (Department of Energy) prévoit qu'au moins 40 000 kg de HALEU seront nécessaires d'ici 2030 pour répondre à la demande croissante des réacteurs avancés.