Plutonium, mon amour ! (1/3) : neutrons rapides et plutonium, pourquoi ?

Première partie d’une tribune en trois parties signée Dominique Grenêche et Michel Gay.

 

Tout comprendre sur les enjeux mondiaux du futur nucléaire à partir de réacteurs à neutrons rapides (RNR) surgénérateurs au plutonium (Pu) qui produiront le futur carburant mondial de synthèse pour la production d’électricité et de chaleur, véritable clé de voute d’une production d’énergie propre et durable pour des milliers d’années.

Optimiser l’utilisation de l’uranium naturel

La finalité principale des RNR surgénérateurs est de remplacer les réacteurs nucléaires actuels à neutrons lents (RNL) qui n’utilisent qu’environ 0,6 % de l’uranium naturel (Unat) pour produire de l’énergie. Et il n’existe aucun moyen pour espérer améliorer significativement cette piètre performance.

Or, les ressources économiquement exploitables d’Unat s’épuiseront à la fin de ce siècle, ce qui pourrait entrainer une extinction progressive de l’énergie nucléaire faute de pouvoir extraire de l’Unat du sous-sol à des coûts raisonnables.

Dans cette perspective, et compte-tenu du temps très long (100 ans) pour produire le Pu nécessaire au développement à grande échelle d’une telle filière, il importe d’agir dès maintenant pour pouvoir déployer des RNR surgénérateurs. Ils permettront d’utiliser la totalité de l’Unat via sa transformation progressive en Pu qui, de ce fait, ouvrira la voie à une énergie nucléaire durable en multipliant son potentiel énergétique par 100.

Réduire les déchets

Un autre intérêt des RNR provient de leur capacité à réduire fortement les quantités de déchets radioactifs à vie longue, constitués par les « actinides mineurs » (Américium, Neptunium, Curium), aujourd’hui mélangés aux produits de fission (PF) dans les déchets ultimes vitrifiés destinés au stockage géologique. Ils constituent la quasi-totalité de la radiotoxicité à long terme (au-delà de 500 ans) de ces déchets, car celle des PF est alors devenue négligeable.

En effet, les RNR produisent nettement moins de radionucléides à vie longue que les RNL pour une même quantité d’électricité produite car ils les « brulent » dans le réacteur. Ils détruiront ainsi une bonne partie d’entre eux par transmutation nucléaire, appelée parfois « incinération », ce qui est difficilement réalisable dans des RNL.

La faisabilité de ce processus a été démontrée à une échelle significative grâce à d’importants programmes de R&D réalisés notamment en France. Un RNR est donc un excellent moyen pour réduire la radiotoxicité potentielle des déchets radioactifs à long terme.

Diminuer le dégagement de chaleur des déchets

Enfin, au-delà d’une centaine d’années, la part du dégagement thermique de l’américium dans le dégagement thermique total des déchets vitrifiés devient de plus en plus prépondérante.

Or, le recyclage (et donc la destruction) de l’américium en RNR est beaucoup plus efficace et plus facile qu’en RNL. Une telle option permet de réduire notablement le dégagement thermique des déchets vitrifiés issus de traitement des combustibles usés des RNL au-delà d’une période de refroidissement préalable d’une centaine d’années.

Si ces déchets sont stockés définitivement dans un stockage géologique après un entreposage en surface d’une telle durée, il devient possible de diminuer fortement la charge thermique de ce stockage géologique, et par là-même d’en réduire les dimensions, et donc le coût.

Le plutonium, futur carburant mondial de synthèse

Face à l’épuisement prévu et progressif des combustibles fossiles, le nucléaire, énergie décarbonée de référence, s’impose donc de plus en plus comme la source principale d’énergie du futur au côté de l’hydroélectricité.

Toutefois, l’uranium ne se renouvelant pas sur terre, la question des ressources se posera aussi, même si l’horizon d’une pénurie est plus éloigné.

La ressource de l’uranium naturel (Unat) extrait des mines est aujourd’hui très mal consommée par les réacteurs actuels, dits à « neutrons lents », qui n’en utilisent que moins de 1 %.

En effet, ils « brûlent » (fissionnent) essentiellement le seul noyau atomique fissile existant dans la nature, l’uranium 235 (U235), dont la proportion est très faible dans l’Unat : seulement 0,7 % de l’uranium naturel.

Les 99,3 % restants sont constitués par l’uranium 238 (U238) « fertile » qui n’est consommé que marginalement aujourd’hui, mais qui peut jouer un rôle fondamental dans le processus de surgénération, notamment en France.

En effet, la France a développé une puissante industrie de l’uranium lui permettant d’accumuler sur son sol un stock considérable d’U238 (350.000 tonnes en 2024 et 550.000 tonnes en 2050, permettant des millénaires de production d’énergie) par transformation en Pu fissile. Son volume est faible (il est contenu une surface inférieure à celle d’un terrain de football), stable chimiquement, et peu radioactif.

Or, cet U238 fertile peut être transformé en matériau fissile, le plutonium 239. Cette transformation a été réalisée de 1967 à 2009 dans trois réacteurs en France, aujourd’hui arrêtés (Rapsodie, Phénix et Superphénix).

Pour le nucléaire, la France est dans la position du Moyen-Orient pour le pétrole ou le gaz, à condition de développer des réacteurs rapides « surgénérateurs » au plutonium de quatrième génération.

En septembre 2019 le gouvernement décidait d’arrêter le projet ASTRID de prototype de réacteur à neutrons rapides (RNR) alors même qu’une dizaine de projets sont en cours d’étude ou de construction dans le monde. La France avait 20 ans d’avance (trop tôt ?) et risque maintenant de se trouver à la traine.

Comment ne pas citer Yves Bréchet, ancien Haut-Commissaire à l’Energie Atomique :

  • « … il faut avoir une idée bien singulière de ce qu’est une filière industrielle pour penser qu’on pourra se positionner dans cette course en se contentant d’études papier qui par miracle s’incarneraient dans un objet industriel le moment venu…».
  • « Au prix d’une pirouette rhétorique, la fermeture du cycle du combustible demeure la politique officielle de la France ».
  • « Pour faire bonne mesure, on s’offrira quelques études sur des solutions technologiquement moins matures (pour être bien certains qu’elles ne passent jamais à l’étape d’industrialisation) … et par une admirable tartufferie on renoncera à la fermeture du cycle tout en prétendant le conserver ».

La surgénération ?

La surgénération de combustible consiste à créer plus de « carburant » dans une machine que celle-ci n’en consomme.

Mais un tel processus ne peut se réaliser qu’avec du plutonium et de l’uranium dans des réacteurs à neutrons rapides.

La fission d’un noyau atomique provoquée par l’absorption d’un neutron (qui le fait éclater en deux morceaux) libère plusieurs neutrons qui peuvent à leur tour être absorbés par d’autres noyaux « fissiles » et conduire ainsi à enclencher une « réaction en chaine ».

Etonnamment, la fission est d’autant plus probable que la vitesse des neutrons est faible, bien qu’intuitivement l’inverse semblerait plus logique : plus la vitesse d’impact du neutron est élevée, plus grandes devraient être les chances de casser un noyau impacté.

Toutefois, en utilisant une autre image, plus un neutron est lent, plus il reste longtemps au voisinage du noyau ce qui laisse plus de temps à celui-ci « d’attraper » le neutron, comme… un gardien de but qui peut attraper d’autant plus facilement le ballon que celui-ci arrive lentement dans les buts.

Or, les neutrons émis par une fission sont « rapides ». Leur vitesse doit donc être réduite par un « modérateur » sur lequel les neutrons peuvent « rebondir » et ainsi se ralentir (comme des chocs de boules de billard) pour qu’au moins l’un d’entre eux puisse provoquer une autre fission. C’est le principe de fonctionnement des réacteurs nucléaires électrogènes actuels dit « réacteurs à neutrons lents » (RNL).

Nota : Ces réacteurs sont parfois aussi appelés réacteurs à neutrons « thermiques » par des spécialistes car la vitesse des neutrons, une fois ralentis, est du même ordre que celle des atomes qui se déplacent dans la matière du fait de l’agitation thermique.

Le meilleur des modérateurs est l’hydrogène car son noyau est formé uniquement d’un seul proton dont la masse est pratiquement la même que celle du neutron. L’élément le plus commun contenant beaucoup d’hydrogène est l’eau ordinaire qui peut également servir en même temps de fluide caloporteur. Mais elle capture des neutrons, ce qui oblige à enrichir l’Unat en U235 fissile (de 0,7% à environ 4%) pour pouvoir entretenir une réaction en chaine.

La technologie de l’enrichissement est aujourd’hui parfaitement industrialisée, d’où la domination des réacteurs à eau (ordinaire) dans le parc mondial actuel de réacteurs nucléaires, constitué de réacteurs à eau pressurisée (REP), en France en particulier, ou à eau bouillante (REB), comme au Canada par exemple.

Chaque neutron qui vient frapper un noyau d’U235 engendre en moyenne 2,07 nouveaux neutrons. Ce « facteur de reproduction » suffisant pour entretenir une réaction en chaine n’est pas suffisant pour produire plus de carburant (le plutonium) qu’il en est consommé. Il existe des fuites de neutrons à l’extérieur du cœur du réacteur (que l’on minimise à l’aide de réflecteurs de neutrons entourant le cœur) et des captures dans les autres matériaux présents dans le réacteur comme le modérateur (eau), les éléments de structure (essentiellement les aciers des assemblages combustibles), les produits créés par les fissions qui s’accumulent (notamment le xénon-135,…).

Mais, surtout, les neutrons sont aussi capturés par l’U238, qui est beaucoup plus abondant dans le cœur du réacteur que l’U235 fissile.

Cette capture d’un neutron par l’U238 « fertile » donne naissance à un nouvel élément, le plutonium 239 (Pu239), qui est fissile au même titre que l’U235. C’est le « carburant de synthèse » de l’énergie nucléaire.

Dans le combustible « neuf » d’un REP, environ deux-tiers des neutrons de fission sont absorbés dans l’U235, et un tiers dans l’U238 pour produire le Pu239, et environ 5 % sont perdus dans des captures « parasites ».

Puis, au cours du temps, les produits de fission s’accumulent et finissent par capturer de façon stérile une partie significative des neutrons (jusqu’à environ 20 %).

Chaque année en France :

  • 8700 tonnes d’uranium naturel sont importées pour produire 1250 tonnes de combustible contenant 4 % d’U235 (soit 50 tonnes).
  • Les 50 tonnes d’U235 fissionnés (environ 140 kg par jour) produisent 400 TWh d’électricité (production annuelle du nucléaire en France).
  • 30 tonnes de Pu sont créées. Mais 20 tonnes sont consommées dans les réactions nucléaires et il n’en reste que 10 tonnes dans le combustible nucléaire déchargé, dont une partie est recyclée dans un combustible mixte d’uranium et de plutonium (MOX).
  • Il reste donc 50 tonnes de produits de fission :
    • 30 proviennent des fissions de l’U235 (60%)
    • 20 des fissions du Pu239 (40%).

Finalement, hors recyclage, seulement 0,6 % (50 / 8700) de l’uranium extrait du sous-sol dans les mines est utilisé pour faire de l’électricité !

C’est un mauvais rendement d’utilisation d’une ressource naturelle non renouvelables dont les quantités économiquement récupérables sont évidemment limitées. Un multi recyclage du Pu, coûteux et peu performant dégraderait encore la qualité du plutonium pour une utilisation ultérieure.

C’est ainsi que, dès les années 1950 a émergé l’idée de surgénération et la découverte de son secret (suite dans la deuxième partie).

 

 

Rendez-vous les 12 et 26 avril 2024 pour découvrir la deuxième et troisième partie.

 

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