Le combustible nucléaire : atouts et spécificités - SFEN

Le combustible nucléaire : atouts et spécificités

Publié le 18 octobre 2020 - Mis à jour le 23 avril 2021
Centrale nucléaire
Combustible
Synthèse

Les centrales nucléaires fonctionnent selon le même principe que les centrales à énergie fossile. La différence, c’est que la chaleur requise est produite par la fission nucléaire à l’intérieur du réacteur plutôt que par la combustion de charbon, de fioul ou de gaz.

Les assemblages de combustible contribuent à la sûreté du réacteur nucléaire en assurant le confinement des produits radioactifs de fission dans une gaine étanche en alliage de zirconium. Cette gaine constitue la première barrière de confinement.

Le combustible nucléaire utilisé dans les centrales nucléaires est généralement de l’uranium naturel enrichi sous forme de pastilles cylindriques. Ces pastilles peuvent aussi être constituées à partir de matières recyclées, à base d’oxydes d’uranium et de plutonium.

Ces pastilles sont empilées dans des tubes en alliage de zirconium appelés crayons de combustible. Ces derniers sont soudés aux deux extrémités pour que le combustible et les produits de fission soient confinés en toute sécurité.

Ensuite, les crayons de combustible sont assemblés pour former des assemblages de combustible.

Plusieurs dizaines d’assemblages de combustible constituent la seule source de chaleur, d’un réacteur nucléaire.

 

Des qualités particulières du zirconium
Le zirconium est le matériau de référence pour la fabrication d’assemblages de combustible. Il assure le confinement des pastilles d’uranium à l’intérieur du réacteur grâce à ses qualités particulières : excellence résistance à la corrosion, résistance mécanique, stabilité sous irradiation, faible absorption des neutrons thermiques.

Les éléments de structure d’un assemblage pour un réacteur à eau pressurisée (REP)
Un assemblage de combustible est un produit de haute technologie fonctionnant dans un environnement contraint. Par exemple dans un réacteur REP, l’assemblage de combustible doit être en capacité de supporter des températures supérieures à 300°C, de subir des pressions de 160 bars et au-delà, d’être « opérationnel » entre 3 et 4 ans dans un réacteur, etc.

L’assemblage de combustible en réacteur REP mesure environ 4 m et rassemble près de 250 crayons. Chaque crayon a un diamètre extérieur d’environ 1 cm et contient près de 300 pastilles de 7 g chacune :

  • les grilles maintiennent les crayons dans des positions bien définies, afin que le fluide réfrigérant (eau) puisse circuler facilement entre les crayons et à travers les grilles. En général, une grille compte 17×17 emplacements pour les crayons dont 24 sont réservés aux tubes-guides.
  • Les tubes-guides sont des tubes vides destinés à recevoir les barres de commande. Celles-ci sont composées de matériaux absorbant les neutrons et servent à piloter le réacteur.
  • Les embouts supérieur et inférieur servent à stabiliser la structure de l’assemblage et à la manutentionner.
10 000 foyers
1 seul assemblage de combustible permet de fournir de l’énergie à environ 10 000 foyers sans
interruption 24h/24, 7j/7 pendant 3 ans

Le renouvellement d’un combustible (dit usé) s’effectue par rechargement périodique (tous les 12 à 24 mois) d’une fraction du cœur du réacteur (entre 20 et 50 % du nombre total d’assemblages), selon le type de gestion et le niveau de performance des assemblages.

En France, comme dans d’autres pays en Europe et dans le monde, le choix stratégique est de recycler le combustible usé pour récupérer la matière valorisable restante (95 % d’uranium, 1 % de plutonium) et la recycler en un nouveau combustible.

Ouvrage de référence
Histoire et techniques des réacteurs nucléaires et de leurs combustibles – Dominique Grenêche – edp sciences – QuinteSciences – Octobre 2016