Quels sont les combustibles utilisés ?
Le combustible nucléaire est le produit qui, contenant des matières fissiles (uranium, plutonium, ...), fournit l'énergie dans le cœur d'un réacteur nucléaire en entretenant la réaction nucléaire en chaîne de fission nucléaire
Uranium
Caractéristiques

De symbole U, l'uranium est le dernier élément naturel du tableau périodique de Mendeleïev. Chaque atome d'uranium possède 92 protons et entre 135 et 148 neutrons.

A l'état pur, l'uranium solide est un métal radioactif gris à blanc (voire argenté), qui rappelle la couleur du nickel. Il est dur et très dense. De plus, l'uranium est l'atome le plus lourd (qui contient le plus de nucléons) présent naturellement sur la Terre.



L'uranium naturel

L'uranium naturel est présent dans pratiquement tous les milieux naturels : roches et eau. Il y a en effet 3 mg d'uranium par mètre cube d'eau de mer, ce qui représente tout de même 4,5 milliards de tonnes d'uranium dans les océans !
L'uranium est vraiment présent dans tous les types d'eau : le Rhône en charrie en effet près de 100 tonnes chaque année. Cet uranium provient du ruissellement des pluies sur les Alpes. L'extraction de l'uranium de l'eau est, techniquement possible, mais non rentable en 2006.

L'uranium est, tout de même, relativement répandu dans l'écorce terrestre, notamment dans les terrains granitiques et sédimentaires. La concentration d'uranium dans ces roches est de l'ordre de 3 g/tonne. À titre d'exemple, un jardin carré de 20 m de côté contient, pour une profondeur de 10 m, environ 24 kg d'uranium.


L’extraction de l’uranium


L’uranium est un métal relativement répandu dans l’écorce terrestre. Sous forme solide, l'uranium est un métal radioactif ? et ? de couleur argentée.

L'uranium existe sous plusieurs isotopes, en particulier l'uranium 238 et l'uranium 235. L'uranium naturel est principalement composé d'uranium 238 (99,28 %), et ne contient que peu d'uranium 235 (0,71 %).


L’extraction s’effectue soit a ciel ouvert, soit dans des galeries souterraines. Comme la plus part des minerais, l’uranium n’est pas extrait sous sa forme pure mais a l’état de roches,  combinés a d’autres éléments chimiques.

Les principaux gisements connus se trouvent en Australie, aux États-Unis, au Canada, en Afrique du Sud et en Russie.


La concentration en uranium 235  est alors très faible (entre 0.1 a 0.5%).

Les roches sont d’abord concassées et finement broyées, puis l’uranium est extrait par diverses opérations chimiques. Le concentré fabriqué a l’aspect d’une pâte jaune appelée “yellow cake”. L’uranium est un métal qui s’oxyde très rapidement au contact de l’oxygène de l’air, se transformant en oxyde d’uranium. La teneur en uranium est de 750 kg/tonne.

Le concentré d’uranium ne peut pas être utilisé tel quel dans les réacteurs nucléaires


L’oxyde d’uranium doit d’abord être débarrassé des impuretés par différentes étapes de purification, plusieurs transformations chimiques puis un raffinage et un enrichissement le rendront utilisable dans les centrales nucléaires.

Minerai d'uranium
Yellow Cake


Les transformations chimiques


On ajoute tout d’abord du dihydrogène gaseux a l’oxyde d’uranium : on obtient de l’eau et de dioxide d’hydrogène.


UO3(s) + H2(g)   ®    UO2(s) + H2O (g)



Ensuite, on ajoute du fluorure d’hydrogène au dioxide d’uranium, on obtient du étrafluorure d’uranium.


UO2(s) + 4HF(g)  ®  UF4(s) + 4 H2O(g)




On ajoute au tétrafluorure d’uranium du fluore gaseu pour obtenir de l’exafluorure d’uranium.


UF4(s) + F2(g) ®  UF6(s)

Plutonium
Le plutonium est un métal lourd très dense (deux fois plus lourd que le plomb), radioactif et toxique, de numéro atomique 94, découvert par Glenn T. Seaborg, Edwin M. McMillan, J. W. Kennedy et A. C. Wahl (États-Unis) en 1940. De même que l'uranium 235, c'est une matière fissible, qui est utilisée (pour son isotope 239) dans la fabrication d'armes nucléaires, et la production d'énergie dans certaines centrales nucléaires.

Le plutonium est normalement absent de la biosphère où c'est un élément chimique artificiel presque exclusivement produit de 1940 à nos jours. Mais il a existé et existe encore (en faible quantité) dans des structures géologiques particulières où de l'uranium a été naturellement concentré par des processus géologiques ou géobiologiques (bioconcentration en filons par des bactéries) il y a plus d'un milliard d'années, pour atteindre une criticité suffisante pour engendrer une réaction nucléaire naturelle. (C'est le cas sur le site d'Oklo).
Opérateur tenant une pastille de plutonium dans ses mains gantées
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