Le combustible UOX

Le combustible UOX est fabriqué à partir de l’uranium naturel, directement issu de l’extraction minière, converti, puis enrichi pour augmenter la teneur en uranium-235 jusqu’à 3 % à 4 %. C’est le plus couramment utilisé dans le monde pour les technologies de réacteurs à eau pressurisée (REP) et à eau bouillante (REB).

Sous l’effet des réactions nucléaires, du plutonium se forme au sein du combustible, et participe à la production d’énergie au côté de l’uranium-235.  A la fin de son utilisation, le combustible usé UOX a produit 30 à 40 % de son énergie par le biais de fissions du plutonium produit in situ. Il contient finalement environ 1 % de plutonium inutilisé.

Le combustible MOX

La France a fait le choix du « cycle fermé » qui permet de recycler les matières valorisables des combustibles usés – le combustibles (UOX) ayant été utilisés dans des réacteurs nucléaires – et d’optimiser la gestion des déchets ultimes. C’est le seul pays qui maîtrise les technologies du recyclage du combustible usé.

Suite au retraitement du combustible usé, le plutonium récupéré est mélangé à de l’uranium (uranium appauvri), pour fabriquer un nouveau combustible recyclé : le combustible MOX. Le retraitement du combustible s’effectue à l’usine d’Orano à La Hague et la confection du combustible dans les usines Melox d’Orano. 22 réacteurs nucléaires français d’une puissance de 900 MWe utilisent ce combustible. Ce type de combustible n’est utilisé qu’une fois dans un réacteur et n’est donc pas recyclé à nouveau. Une campagne de recyclage MOX usé à La Hague en a démontré la faisabilité cependant.

Le combustible URE

Le combustible URE est lui aussi issu du retraitement du combustible usé. L’uranium de retraitement (URT) contient une teneur en U-235 légèrement supérieure à celle de l’uranium naturel, de l’ordre de 0,9 %. Comme pour la confection du combustible UOX, l’URT est alors à nouveau enrichie. Cette étape est effectuée jusqu’à présent en Russie mais il est prévu d’enrichir l’URT en France dans des lignes dédiées (pas de mélange avec l’uranium naturel (Unat) dont le vecteur isotopique (pureté) est différent).

Seuls quelques réacteurs du parc nucléaire français utilisent aujourd’hui du combustible URE. Comme pour le combustible MOX, ce type de combustible n’est utilisé qu’une fois dans un réacteur et n’est donc pas recyclé à nouveau.

Le recours à un autre élément naturel, le thorium, est également théoriquement possible pour alimenter un réacteur. Le thorium n’est pas un atome fissile, mais dans le cœur d’un réacteur il peut se transformer, par capture d’un neutron, en uranium-233, lui, fissile. Des pays réfléchissent à l’utilisation de ce combustible, dont l’Inde et la Chine, qui en possèdent des réserves très importantes. La Chine a d’ailleurs lancé l’exploitation d’un réacteur de recherche de ce type dans le désert de Gobi en 2023/2024. D’autres s’intéressent à cette filière, comme les Etats-Unis, la Russie et certains pays d’Europe. Une caractéristique intéressante des réacteurs au thorium réside dans le fait que les résidus produits contiennent une quantité plus faible d’actinides mineurs, ce qui peut être un avantage dans la gestion à long terme des déchets nucléaires.

D’autres combustibles innovants sont en développement pour équiper les réacteurs avancés et présenteraient des avantages comparables à ceux décrits pour le thorium. On retrouve, entre autres, le combustible Triso et les sels fondus.

Les combustibles Triso correspondent à des petites particules sphériques avec plusieurs couches de matériaux résistants. Ces dernières offrent une très grande robustesse permettant d’atteindre des températures plus élevées que le combustible traditionnel. L’uranium qu’elles contiennent est plus enrichi que dans les combustibles traditionnels, de l’ordre de 5 à 20 %, on l’appelle Haleu (High-Assay Low-Enriched Uranium ou uranium moyennement enrichi). Plus dense, il permettrait de produire plus d’énergie avec une quantité de combustible inférieure.

Contrairement aux combustibles solides, les sels fondus se présentent sous forme liquide. Ainsi, ils assurent à la fois les fonctions de caloporteur (comme l’eau dans les REP) et de combustible. Les matières fissiles sont en fait dissoutes et mélangées dans ce liquide. Deux grandes familles de sels combustibles pour le nucléaire sont envisagées : les sels chlorures et les sels fluorures.

D’autres combustibles innovants existent encore, présentant des configurations et des propriétés différentes. ■