Burn up

Degré d’irradiation et énergie fournie par le combustible

L’énergie fournie par une centrale nucléaire est en proportion de l’irradiation subie par le combustible dans le cœur du réacteur : le « burn-up » en anglais. Une tonne d’uranium est capable d’alimenter en d’électricité une ville de 50 000 habitants pendant 3 ans. L’énergie dégagée est de 33 Gigawatt-jours (792 millions de kilowatt-heures) par tonne dans les conditions standard d’exploitation d’un réacteur REP. Les compagnies d’électricité utilisent pour décrire la production de leurs centrales le gigawatt-jour plutôt que le kilowattheure. Un gigawatt-jour équivaut à 24 millions de kilowattheures, 1 million de kilowatts pendant 24 heures.

Au fur et à mesure que le combustible fournit de l’énergie, il s’appauvrit en uranium-235 fissile. Il vient un moment où il faut le sortir du réacteur. Les producteurs d’électricité et les ingénieurs cherchent à retarder ce moment pour augmenter la production d’énergie et donc le burn-up. On peut atteindre cet objectif en enrichissant davantage le combustible en uranium-235. Mais pour que les gaines du combustibles supportent une irradiation prolongée il faut renforcer la tenue des gaines à l’irradiation.

La composition du combustible à la sortie du réacteur dépend du burn up, comme le montre l’exemple ci-dessus comparant la composition de deux combustibles usés, le premier enrichi à 3,5 % ayant produit 36 Gigawattjours/tonne, le second enrichi à 4,95 % ayant fourni 60 GWJ (Gigawattjours) par tonne.

Le second combustible a généré 88 % d’énergie en plus. Ce quasi doublement du « burn-up » se traduit par une augmentation en proportion des produits de fission et des actinides mineurs. Par contre, le plutonium n’augmente que de 27 %. En effet, plus le combustible séjourne longtemps en réacteur, plus le plutonium qui se forme en son sein a le temps d’être consommé par fission. Ce plutonium consommé contribue à la production d’énergie.

Les irradiations de longues durées (4 ans et plus) sont intéressantes pour l’exploitation des centrales, car elles consomment à énergie égale moins d’uranium-235 et produisent moins de plutonium. Elles sont de plus en plus pratiquées par des compagnies comme EDF qui comptent sur elles pour réduire leur stock de plutonium.

Certaines limitations empêchent de pousser très loin le « burn-up » dans le cas des réacteurs à eau. Au-delà de 50 Gigawatt-jour/tonne, il faut d’autres alliages que le zircaloy-4 pour éviter la corrosion des gaines dans l’eau et le dégagement de produits de fission gazeux radioactifs. On commence à observer des déformations de la structure des assemblages, avec un risque de coincement des barres de contrôle.