L’énergie Nucléaire et les déchets

Quelles alternatives? L’électricité mondiale dans 30 pays Exploitation des ressources énergétiques = 450.1018 joules /an Essentiellement basée sur les énergies fossiles Augmentation de CO2, CH4 et NO2 = changement du climat augmentation de la température moyenne Quelles alternatives? 1)Fission nucléaire 2)Biomasse 3)Énergie solaire 4)Énergie éolienne Actuellement seule l ’énergie nucléaire est largement exploitée = 17% de L’électricité mondiale dans 30 pays

L’énergie nucléaire A-le phénomène de radioactivité

Formation de la Terre 4,6 Ma = élements chimiques stables et instables

Les trois types de rayonnements radioactifs Rayons peu pénétrants Rayons alpha Emission d’un noyau d’He Portée dans l’air = 2,5 à 8,5 cm Arrêtés par une feuille de papier Ou la surface externe de la peau Rayons un peu plus pénétrants Rayons beta Emission d’un électron Portée dans l’air = quelques m Traverse la couche supérieure De la peau Arrêtés par une feuille de Al ou une vitre Rayons très pénétrants Rayons gamma Nature électromagnétique Arrêtés seulement par de Grandes épaisseurs de matéraiux (béton, plomb…) Les rayonnements alpha et beta sont déviés par des courants électriques ou magnétiques, Contrairement aux rayons gamma

B-les sources de radioactivité

La radioactivité d'origine naturelle : rayonnements cosmiques = création permanente 14C dans l’atmosphère Création de 222Rn (gaz dans atmosphère) à partir du 226Ra provenant de la désintégration de 238U (écorce terrestre) -Substances radioactives naturelles dans le sol (rayonnements telluriques) 238U (4470 Ma demi-vie), 235U, 14C, 226Ra -Aliments absorbés 40K (1300 Ma demi-vie) Ex: Granite = 1000 becquerels/Kg Corps humain de 70Kg = 8000 becquerels (5000 liés au 40K des os) Lait = 80 becquerels/l Eau de mer = 10 becquerels/l

La radioactivité = artificielle, provient d’applications créées par l'homme (industries, médecine, etc.). Création des éléments = réacteur nucléaire Ex: 60Co, 192Ir : sources pour les gammagraphies/radiothérapie Elements créés dans les centrales nucléaires Ex: 137Cs, 90Sr (30 ans de demi-vie)… forment les déchets nucléaires non utilisables Imagerie médicale Aphrodite accroupie, antiquités grecques (Louvre). Gammagraphie permettant de visualiser les points d’attache métalliques sur cette statue de marbre @CEA

C-la radioactivité et la santé

D- utilisation de la radioactivité dans la production d’énergie électrique

Uranium = atome le plus lourd présent naturellement sur Terre (92 protons) 2 principaux isotopes de l'uranium sont 235U et 238U 238U majoritaire 238U ne peut fissionner dans les réacteurs nucléaires 235U est fissile proportion naturelle de 235U = 0,71 % (238U = 99,2745 %; 234U = 0,0055%) t1/2 238U = 4470 Ma t1/2 235U = 707 Ma Sous l’action des neutrons, il subit le phénomène de fission Réaction exploitée dans les centrales nucléaires

1) Réaction de fission nucléaire

Un neutron sans charge électrique, s'approche du noyau N’est pas repoussé par les forces électriques Neutron pénètre à l'intérieur de ce noyau = fission du noyau La réaction de fission nucléaire s'accompagne de l'émission de nouveaux neutrons et d'un dégagement d'énergie

Nombre de masse = protons + neutrons Tous les nucléides formés ont un nombre de masse approchant A = 95 (Brome, Krypton, Zirconium…) Et A’ = 139 (Xénon, Césium, Baryum…) Nombre de masse = protons + neutrons

Nombre de Masse = 118 le moins probable

La formation du plutonium Neutrons

2) La réaction en chaîne

Des deux ou trois neutrons produits, certains sont perdus ou absorbés dans la matière, d'autres rencontrent d’autres noyaux d'uranium et causent de nouvelles fissions =réaction en chaîne Cette réaction en chaîne a lieu dans le cœur du réacteur. Elle y est entretenue et stabilisée grâce à un réglage fin du nombre de neutrons absorbés.

L’eau est chauffée dans le circuit primaire et chauffe l’eau du circuit secondaire qui est transformée en vapeur qui fait tourner la turbine qui entraîne l’alternateur qui produit l’électricité La réaction de fission en chaîne est contrôlée en descendant et remontant des barres de Commande (bore) qui peuvent absorber les neutrons en excès

3) Le parc français

20aine de sites Puissance totale du parc = 63 Gwe Renouvellement au delà de 40 ans = 2020 Réacteurs de génération III EPR

Les différentes étapes du traitement du minerai

Roches concassées et finement broyées Mine d’Uranium Française près de Limoges, Haute vienne Restauration du site après fermeture Minerai = concentré sur lieu d'extraction (installation implantée au plus près de la mine) Roches concassées et finement broyées Uranium est extrait par différentes opérations chimiques Concentré fabriqué = pâte appelée "yellow cake" Contient environ 75 % d'uranium

Proportion d'atomes 235U dans l'uranium naturel = 0,7 %. Les réacteurs nucléaires nécessitent un combustible,contenant entre 3 et 5 % d’ 235U Enrichissement de l'uranium naturel Le procédé d'enrichissement le plus utilisé est la "diffusion gazeuse" Après enrichissement, UF6 est transformé en oxyde d'uranium (UO2). "yellow cake" = transformation chimique pour devenir un gaz : UF6

UO2 comprimé en pastilles (cuites à hte T) Une pastille = cylindre de 13,5mm H poids 7 grammes = une tonne de charbon Ces pastilles placées dans des tubes (ou gaines) de 4 m en alliage de zircalloy à extrémités bouchées constituent les "crayons" de combustibles

Les "crayons" sont regroupés en "fagots" de section carrée, appelés assemblages.

Disposés selon une géométrie précise, les assemblages de combustible forment le cœur du réacteur où ils séjournent 3 ou 4 ans.

Durant cette période : - diminution de la teneur en uranium 235 - formation de produits de fission perturbant la réaction en chaîne Une fois "usé" le combustible est retiré du cœur du réacteur et remplacé par du combustible neuf Un réacteur du parc français consomme ainsi environ 27 tonnes /an d'uranium enrichi

traitement et recyclage Le retraitement traitement et recyclage

Les éléments radioactifs utilisés sont 235U et 239Pu (fissiles) USA, cycle du « nucléaire » ouvert : pas de récupération de 235U restant et de 239Pu nouvellement créé (prix bas de l’uranium) « Déchets » entreposé directement en site géologique

En France (nucléaire = principal source pour électricité): Combustible "usé" contient 97 % d'uranium et de plutonium, qui sont récupérés et recyclés A La Hague, les crayons de combustibles usés sont cisaillés, et dissous dans l'acide nitrique

Cisaillement des gaines en zircalloy

Le tributyl-phosphate (TBP) concentre l'uranium et le plutonium (procédé Purex)

L'uranium récupéré peut à nouveau être enrichi suit une voie analogue à celle du combustible ordinaire Le plutonium = fabrication de nouveaux combustibles mélange d'oxyde d'uranium et d'oxyde de plutonium, "MOX" (de l'anglais "mixed oxides") Utilisé dans un tiers des réacteurs à eau pressurisée (REP) français Produits de fission = éléments radioactifs = seuls vrais déchets ultimes Vitrifiés et entreposés comme déchets radioactifs Np = 3.4t/an Am = 2.7 t/an sur les 30 pays Cm = 335 kg/an

cycle Gestion des déchets retiré après 3 ou 4 ans 3 ans Centrale nucléaire cycle retiré après 3 ou 4 ans Combustible usé Entreposage piscine 3 ans démantèlement des assemblages combustibles Cisaillage des crayons de combustible et des gaines Dissolution dans l'acide nitrique concentré et chaud Solution nitrique Séparation des morceaux de gaine non dissous (coques) puis compactage 97% Séparation Uranium Plutonium U, Pu (procédé PUREX utilisant le tributylphosphate). Solution haute activité Produits de fission Entreposage intermédiaire 3% 1 an calcination fritte de verre Gestion des déchets Déchet vitrifié dans des conteneurs en acier inoxydable. Entreposage provisoire dans des puits verticaux avec circulation forcée d'air puis convection naturelle. 30 ans. Séparation pousée et transmutation Entreposage en surface de très longue durée en attente d'une solution meilleure. Produits de fission Stockage réversible ou à vie courte stockés irréversible en formation en surface. géologique profonde. > 1 000 000 ans

Combustible usé

Les déchets nucléaires

Qu’est ce qu’un déchet nucléaire? Selon AIEA (Agence Internationale de l’Energie Atomique) « Toute matière pour laquelle aucune utilisation n’est prévue et qui contient des radionucléides en concentration supérieure aux valeurs que les autorités compétentes considèrent comme admissibles dans des matériaux propres à une utilisation sans contrôle »

Radiotoxicité des éléments en fonction du temps

Comparaison des différents types de déchets

Matières conditionnées = radionucléides confinés jusqu’ à extinction de radioactivité En France (par habitant et par an) = 1kg dont 5g de déchets de haute activité à vie longue Les différents types de déchets : -TFA = très faible activité -FA = faible activité -MA = moyenne activité FMA -HA = haute activité HAVL (haute activité à vie longue) Vie courte < 30 ans<vie longue

Ordre de grandeur des volumes

Quelques chiffres

Les déchets de très faible activité (TFA) Compaction

Les TFA (1 à 100 Bq/g) Démantèlement des installations nucléaires : 250 000m3 d’ici 2020 et 1 à 2 Millions m3 au total Stockage au centre ANDRA de Morvilliers (Aube, 10) depuis 2004 sur 45 hectares Alvéoles (6 en 2006) : 174m, 26m de large et 7,5m de profondeur Capacité de stockage : 650 000m3 1ères Centrales démantelées : Saint Laurent des Eaux (Orléans, Chinon) et Brennilis (Finistère)

Les Déchets de faible et moyenne activité (FMA) Colis à 15% de déchets ayant été au contact de matières radioactives Et 85% d’enrobage (béton, mortier, résine,bitume) Colis métallique ou en béton suivant volume et radioactivité

Stockage en case de béton armé de 25m de côté et 8m de hauteur Remplies, les cases sont recouvertes d’une couche de polyuréthane Imperméable Ces cases sont surveillées par des galeries souterraines (Réseau Séparatif Gravitaire Enterré (RSGE)

Centre de stockage de l'Aube de la Manche

Les déchets de Haute activité à vie longue HAVL

« Loi Bataille » Pilotage CEA Pilotage ANDRA Pilotage CEA

La transmutation

Modification des noyaux des éléments à vie longue = transformation en corps stables ou à durée de vie plus courte et à moindre radiotoxicité Mise en œuvre : bombardement des noyaux cible avec des particules Elémentaires, é, protons (trop faible rendement), neutrons Ex :transmutation du 99Tc (émetteur beta et 210 000 ans de période) avec des neutrons 99Tc + n = 100Tc (beta) = 100Ru élément stable Mais difficile de prévoir l’évolution de la réaction en grand volume Recherche en plein essor, coût élevé

L’entreposage et le conditionnement

Entreposage du combustible usé

Les « nouvelles » matrices minérales

Essentiellement pour les actinides mineurs (séparation poussée): Np, Am, Cm et PF à vie longue I, Cs, Tc Travail du GdR Nomade (50 labos, EDF et AREVA) Conditionnement de l’Iode, du Césium et des actinides : Apatite (minéral phosphaté naturel : Ca10(PO4)6(F, OH, Cl)2 ) Minéral synthétique Me10(XO4)6Y2 Me = cation divalent, XO4 un polyanion trivalent (PO4, VO4 etc…) et Y un anion monovalent (Cl-, F-, Br-). Durabilité chimique élevée en milieux aqueux faiblement alcalin, stable thermiquement et résistantes aux irradiations Conditionnement particulier des actinides et des lanthanides : zirconolite (CaZrxTi(3-x)O7) = SYNROC australien Conditionnement particulier du Césium : Hollandite (A2B8O16)

Le verre

Réalisation du verre par fusion d’oxydes et trempe du liquide

Entreposage provisoire des déchets vitrifiés de haute activité Une composition complexe

proposés pour les déchets Les sites de stockage proposés pour les déchets de haute activité

Bures

Stockage en profondeur

Le contrôle législatif

La loi du 28 Juin 2006 Les trois axes de la loi de 1991 sont conservés « Le texte prévoit de stocker les déchets les plus dangereux en couche géologique profonde et organise la création d'un centre de stockage réversible » « La loi confirme la réduction de la quantité et de la nocivité des déchets radioactifs par le traitement des combustibles usés et le traitement et le conditionnement des déchets radioactifs » « Le texte prévoit de continuer les recherches sur la"séparation-transmutation" des éléments radioactifs à vie longue et l'entreposage à long terme (100 à 300 ans au lieu des 50 à 100 ans actuels) » La loi confirme l'interdiction de stocker en France des déchets nucléaires étrangers