Série sur les barrières 2/6 : la matrice combustible (assemblages combustibles partie 1 de 2)
Le combustible nucléaire est pressé en pastilles avant son utilisation dans les centrales nucléaires et comprimé au moyen d’un procédé de frittage. Ce procédé transforme le combustible en un matériau céramique capable de retenir les produits de fission issus de l’exploitation dans ce qui est appelé la matrice combustible.
Le combustible nucléaire est extrait du minerai d’uranium, qui est enrichi au moyen du procédé de fabrication suivant :
Enrichissement de l’uranium
Après l’extraction du minerai d’uranium dans les mines, le matériau contenant de l’uranium est séparé de la roche restante. L’uranium est dissous de la roche résiduelle par des moyens chimiques – avec de l’acide ou de la soude – et purifié. Le produit obtenu est une poudre jaune constituée d’environ 80 % de composés d’uranium.
L’uranium naturel contient principalement de l’uranium 238 difficile à fissionner, la proportion d’uranium 235 n’atteignant qu’environ 0,7 pourcent. Pour qu’un réacteur de centrale nucléaire puisse être exploité économiquement, la proportion d’uranium 235 doit être portée à environ cinq pour cent.
Avant l’enrichissement, la poudre jaune (également appelée « yellow cake », soit « gâteau jaune », en raison de sa couleur) doit être mise dans la forme appropriée. Elle est alors transformée en hexafluorure d’uranium. Ce composé salin s’évapore à 56°C. A l’état gazeux, les isotopes uranium 235 et d’uranium 238 peuvent être séparés, par exemple par une centrifugeuse à rotation rapide, car l’uranium 238 contient trois neutrons de plus et est donc plus lourd que l’uranium 235.
On ajoute à une portion d’uranium l’uranium 235 qui a été séparé d’une autre portion. C’est la portion dès lors enrichie qui est employée. L’hexafluorure d’uranium enrichi est ensuite converti en oxyde d’uranium.
Le combustible nucléaire est enfermé dans des pastilles
L’oxyde d’uranium enrichi est broyé, pressé en pastilles et comprimé par frittage à environ 1700 degrés Celsius, c’est-à-dire transformé en un matériau céramique. Cette céramique est capable de retenir dans la matrice combustible les produits de fission produits pendant l’exploitation. La forme des pastilles rappelle celle de petits comprimés noirs. Elles sont cylindriques et mesurent environ un centimètre de haut et un centimètre de large. Lorsqu’elles ne sont pas utilisées, les pastilles ne sont que très faiblement radioactives. Elles ne deviennent hautement radioactives que pendant le fonctionnement du réacteur en raison du bombardement neutronique et des produits de fission qui en résultent.
Pendant le fonctionnement normal du réacteur, les substances radioactives solides (et une partie des gaz rares radioactifs) sont piégées dans les pastilles dans une matrice. En combinaison avec les gaines des crayons combustibles, la matrice combustible est considérée comme la première barrière permettant de contenir des substances radioactives.
Cet article est le deuxième de la série de six articles consacrés à la thématique des barrières. Le premier article a porté sur le principe des barrières, tandis que les articles deux à six traitent des différentes sortes de barrières.