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La séparation isotopique

La clé de l’accès au combustible et … à la bombe atomique

Le combustible à l’uranium qui alimente la majorité des réacteurs commerciaux – à eau bouillante ou à eau pressurisée – doit être enrichi à environ 4 % en uranium-235, alors que la concentration de cet isotope fissile est seulement de 0,7 % dans l’uranium naturel. Pour les bombes atomiques, l’enrichissement doit être poussé jusqu’à 90 % !

De l’uranium au combustible
L’enrichissement de l’uranium par un procédé de séparation isotopique – diffusion gazeuse ou ultracentrifugation – passe par l’étape préalable de la conversion. Il s’agit d’obtenir un gaz d’uranium, sous la forme d’un composé fluoré, l’hexafluorure d’uranium. Cet hexafluorure, montré ici sous forme de cristaux, devient gazeux une fois chauffé. Sous cette forme, on peut alors passer à la séparation isotopique proprement dite.
© IN2P3 ©

L’enrichissement est une opération technique difficile et onéreuse. Les isotopes 235 et 238 possédant les mêmes propriétés chimiques, il faut avoir recours aux différences de propriétés physiques qui sont minimes. La diffusion gazeuse et l’ultracentrifugation, les deux procédés ayant atteint le stade industriel, exploitent la faible différence de masse – 1,26 % – entre les isotopes 235 et 238.

Conversion de l’uranium
La molécule d’hexafluorure d’uranium comporte 6 atomes de fluor pour un atome d’uranium. Pour former une molécule aussi fluorée, on passe par l’intermédiaire d’un tétra-fluorure (4 atomes de fluor contre un uranium). La photographie offre une vue générale de l’usine Comurhex-Pierrelatte sur le site du Tricastin où s’effectue la conversion du tétra-fluorure en hexafluorure. La fabrication et l’utilisation de ce composé très corrosif sont des opérations délicates qui exigent des précautions particulières et des équipements élaborés.
© AREVA / LESAGE (PHILIPPE) ©

Dans ces deux procédés, l’uranium doit être converti au préalable sous forme d’un composé fluoré, l’hexafluorure d’uranium. C’est l’opération de conversion. L’hexafluorure devient gazeux une fois chauffé au dessus de 80°C. Ce composé est très corrosif. Sa fabrication et son utilisation sont des opérations délicates.

Le procédé de diffusion gazeuse est le plus ancien. Les molécules d’hexafluorure d’uranium-235 diffusent légèrement plus vite à travers une paroi poreuse que celles d’uranium-238. Après avoir traversé un grand nombre de diffuseurs, on enrichit le gaz au taux requis de 3 à 5%. La diffusion gazeuse a comme handicap de consommer beaucoup d’énergie.

Le procédé d’ultracentrifugation, qui date de l’après-guerre, consiste à faire tourner à très haute vitesse un cylindre creux dans un carter étanche. Par l’effet de la force centrifuge, les molécules d’hexafluorure les plus lourdes (U-38) sont davantage envoyées à la périphérie, créant un modeste effet de séparation isotopique. Bien que le gaz doive passer dans des milliers de centrifugeuses pour être enrichi à la concentration voulue, la centrifugation consomme relativement peu d’énergie.

Séparation isotopique par laser
L’enrichissement de l’uranium en isotope 235 par laser a fait l’objet de recherches et développements dans plusieurs pays et, en France, au Commissariat à l’Énergie Atomique de Saclay, comme le montre cette chaine d’amplification à vapeur de cuivre. Le procédé SILVA (Séparation Isotopique par Laser sur Vapeur Atomique d’uranium) a donné des résultats au laboratoire mais n’a pas atteint le stade industriel.
© AREVA ©

Un troisième procédé n’a pas atteint l’échelle industrielle. Au sein d’une vapeur métallique à très haute température, un laser ionise sélectivement les atomes d’uranium-235 qui sont balayés ensuite par un champ électrique. L’enrichissement se fait en un seul passage et requiert peu d’énergie. Ce procédé novateur se heurte à des problèmes techniques non résolus avec les technologies et les matériaux actuels.

Les réacteurs américains sont approvisionnés en partie par le démantèlement partiel des bombes atomiques. L’U.S. Enrichment Corporation a l’exclusivité du recyclage sous forme de combustible de 500 tonnes d’uranium hautement enrichi en provenance de l’arsenal de l’ancienne Union Soviétique.

Les capacités mondiales annuelles d’enrichissement s’élevaient en 2004 à 34 millions d’unités de travail de séparation ou UTS – de quoi alimenter 340 réacteurs de 0,9 Gigawatt – auquel il faut ajouter 5,5 millions issues du démantèlement de l’arsenal soviétique. Quatre grandes entités dominent le marché de l’enrichissement : AREVA, le consortium Urenco (Royaume-Uni, Pays-Bas et Allemagne), USEC aux Etats-Unis, et l’AEFA (Russie). La centrifugation satisfait aujourd’hui plus des deux tiers des besoins en uranium enrichi.

Il faut rappeler que l’enrichissement génère des quantités importantes d’uranium appauvri à environ 0,2 %, quelques 8000 tonnes par an pour la France.

ANNEXES SUR L’ENRICHISSEMENT DE L’URANIUM : PASSÉ ET FUTUR
– 1) : Le passé – la diffusion gazeuse
– 2) : Perspectives de l’enrichissement