Multirecyclage du plutonium en REP

Multirecyclage du plutonium en REP ou relance des surgénérateurs

Avis de PNC-France

Dans sa synthèse du 6ème rapport, le GIEC rappelle que toutes les formes d’énergie bas carbone, seront indispensables, allant jusqu’à retenir les énergies fossiles avec captage et stockage de CO2. C’est également ce que martèlent sans cesse l’Académie des technologies et Fatih Birol, directeur général de l’Agence internationale de l’énergie qui rappelle :

• En 2019 : Il n’existe pas de technologie miracle qui résoudra les défis environnementaux titanesques auxquels le monde fait face. « Nous avons besoin d’une innovation continue à travers un éventail de technologies, dont les énergies renouvelables, l’efficacité énergétique, les batteries, le captage du carbone, et plus encore. [L’agence] voit l’hydrogène et l’énergie nucléaire comme deux aspects importants de la transition énergétique dans de nombreux pays, mais elle a besoin d’aide de la part des gouvernements pour surmonter les obstacles majeurs».
• En 2021 : « L’AIE s’inquiète très fermement de la stratégie plébiscitée par l’Union européenne quant au futur mix énergétique du continent, craignant ainsi un abandon progressif du nucléaire. L’Europe n’a pas le luxe d’exclure une technologie bas carbone » affirme Fatih Birol, directeur de l’AIE.
• En 2023 :  À Bruxelles, l’erreur a été de faire« preuve de froideur à l’égard du nucléaire »

Pourtant, pendant que la « forêt brûle », l’Europe poursuit sa course en faveur d’une électricité 100 % renouvelable (mais aussi importée !) et s’acharne à dresser des barrières contre le développement du nucléaire. En France nous sommes entre deux ères politiques, celle de la sortie progressive du nucléaire promue par l’écologie politique depuis 15 ans, toujours très présente dans toutes les instances et administrations, et celle d’une relance du nucléaire initiée depuis 2 ans, mais encore sans vision à long terme. Or le domaine de l’énergie, et en particulier celui d’une électricité qui exige que l’équilibre du réseau soit toujours respecté, comme celui des applications industrielles, relèvent tous deux du temps long, avec une vision à 50 ans au moins, et à 100 ans si on se préoccupe des ressources.

La France dispose pourtant d’une extraordinaire ressource énergétique, comme les grands pays industriels qui ont la maîtrise du cycle amont de l’uranium et des technologies de l’enrichissement de l’uranium, son stock d’uranium appauvri. Il peut, avec les réacteurs de quatrième génération, nous offrir une électricité décarbonée, pilotable et à coût maitrisé pour des millénaires. Mais la politique des dix dernières années a conduit à arrêter, avec l’abandon d’Astrid, le programme de réacteurs de 4^ème génération surgénérateurs, dont la France était leader dans toutes ses facettes.

Plus grave encore, dans une perspective de sortie du nucléaire, nous nous sommes engagés dans un programme de multirecyclage du combustible nucléaire dans les réacteurs actuels, qui vise à consommer le stock de plutonium issu du parc nucléaire, obérant ainsi l’avenir en privant de combustible cette quatrième génération de surgénérateurs.

Et se prépare dans les arcanes administratives une proposition de reclassement en déchets de cette formidable ressource d’uranium appauvri, ce qui représenterait un véritable crime vis-à-vis des générations futures, qu’on priverait alors d’une ressource considérable d’énergie.

Multirecyclage des combustibles nucléaires dans les réacteurs actuels ou développement volontariste de la 4ème génération surgénératrice, l’article ci-après « Le multirecyclage du plutonium en REP, une stratégie perdante ! »de Dominique Grenèche, expert de PNC-France, nous éclaire sur une question complexe et démontre la formidable opportunité pour les générations futures que représente une relance des projets de réacteurs surgénérateurs alors même que fourmillent de par le monde des projets de petits réacteurs innovants, souvent iso ou surgénérateurs.

ILLUSTRATION : Nicolas WAECKEL

Le multirecyclage du plutonium en REP, une stratégie perdante !

Dominique Grenèche

La France, qui était considérée comme un des leaders mondiaux des technologies nucléaires, avait décidé il y a 50 ans que le nucléaire devait être durable et consommer l’intégralité du contenu énergétique potentiel de l’uranium en retraitant ses combustibles des réacteurs actuels à eau pressurisée (REP), et en développant les réacteurs à neutrons rapide de quatrième génération surgénérateurs (RNR) . Nous bénéficions en effet d’une situation exceptionnelle, avec une réserve d’uranium « appauvri », stratégique, qui représente potentiellement des milliers d’années de production d’électricité.

L’arrêt scandaleux de Superphénix en 1997, puis du projet Astrid en 2019 ont fragilisé notre pays, malgré le fonctionnement remarquable de Phénix jusqu’en 2010, qui a démontré les performances des RNR, tant pour la production d’énergie que pour la réduction des quantités de déchets ultimes.

Mais seulement trois ans après la décision d’arrêt d’Astrid, le paysage est renversé par la décision de relancer le nucléaire dans notre pays, l’émergence d’une Alliance du nucléaire regroupant 16 pays européens, et le foisonnement mondial de projets de nouveaux réacteurs innovants, souvent iso ou surgénérateurs. La raison en est limpide, le nucléaire est décarboné, pilotable, économiquement maîtrisé.

Nous analysons ci-dessous les conséquences de ce basculement sur la gestion du cycle du combustible dans notre pays. Faut-il poursuivre le programme en cours visant à réduire drastiquement notre stock de plutonium issu du retraitement des combustibles, avec le multirecyclage dans les REP, ou faut-il conserver précieusement ce plutonium pour disposer du stock nécessaire au déploiement des réacteurs surgénérateurs ? Et faut-il avec le multirecyclage se préparer à reclasser en déchets notre réserve d’uranium appauvri ou, grâce aux surgénérateurs, la transformer en ressource énergétique au bénéfice des générations futures, alors que la ressource d’uranium naturel va forcément s’amenuiser.

1. Comprendre la vie du combustible nucléaire : la charge initiale

Au départ le combustible chargé dans un réacteur contient de l’uranium enrichi en uranium 235 fissile^[1], l’U235 dans une usine de séparation isotopique par ultracentrifugation, qui a porté sa teneur de 0,7 % (l’uranium naturel contient 99,3 % d’uranium 238 fertile ou U238) à 4 à 5 %. Il est consommé dans nos réacteurs nucléaires, les réacteurs à eau pressurisée, dits réacteurs à « neutrons lents », qui ont été conçus pour privilégier la fission de l’U235.

L’optimisation du cycle du combustible nucléaire dépend de nombreux paramètres et, pour rendre cette gestion compréhensible, nous nous limiterons dans cette étude à une comparaison avec un cas standard impliquant un enrichissement initial de l’uranium de 4,2 %, et une stratégie avec un seul recyclage, le monorecyclage, avec introduction d’un tiers d’éléments combustibles mixtes uranium plutonium (MOX) dans 22 de nos réacteurs, qui sont tous des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP).

Comme tout système de production, l’industrie nucléaire produit des résidus, pour partie des matières recyclables et pour partie des déchets. Ils sont confinés à l’intérieur de « crayons » (tubes étanches en zirconium), dans des pastilles  (initialement de l’oxyde d’uranium) au cœur des assemblages de combustibles dits « usés » (CU) qui sont déchargés du cœur, une fois qu’ils ont délivré toute l’énergie qu’il est possible d’en extraire avec la charge initiale d’U235. Or ces pastilles combustibles contiennent seulement 5% de déchets ultimes, essentiellement les produits de fission (96 % de la masse totale des déchets ultimes) et des noyaux atomiques lourds formés en réacteur, appelés « actinides mineurs ». Il faut y ajouter les déchets des structures métalliques de l’assemblage qui ont été contaminés ou activés pendant l’irradiation du combustible et les gaines.

Source SFEN

Le reste , soit 95 % de la masse totale des matières résiduelles est constitué de deux éléments potentiellement valorisables :

1. L’uranium résiduel, qui n’a pas été consommé dans le réacteur, soit 94%. Il est appelé uranium de retraitement (URT) et contient encore une proportion significative d’U235, supérieure à celle de l’uranium naturel, environ 0,8 %. Il peut donc être réenrichi.
2. Le plutonium (Pu), un peu plus de 1 %, qui est un élément artificiel créé pendant l’irradiation du combustible par captures de neutrons par l’U238 Ce plutonium comprend 5 isotopes, seuls deux d’entre eux, majoritaires, étant fissiles au même titre que l’U235, le Pu239 et le Pu241^[2].

Typiquement, un assemblage usé du combustible (le CU) d’un REP alimenté en uranium enrichi contient quand il est déchargé du réacteur :

Les proportions d’isotopes de l’U et du Pu pour une gestion du cœur par 1/3,  

Au titre de la préservation des ressources naturelles, ces matières valorisables doivent être recyclées. La première étape, dans des installations dites de traitement des CU (usine de La Hague), consiste à  cisailler directement l’ensemble de l’assemblage de combustible pour obtenir de petits tronçons de crayons de combustibles (d’environ 35 mm de longueur), puis de dissoudre leur contenu, et enfin à séparer chimiquement les trois résidus : l’U résiduel , dit Uranium de Retraitement (URT) , le Pu qui est un combustible nucléaire (matière fissile), et enfin les déchets ultimes qui sont ultérieurement vitrifiés et entreposés pour décroissance radioactive avant d’être envoyé vers un centre de stockage géologique (La procédure de  « Demande d’autorisation de construction » de CIGEO vient d’être engagée par l’Autorité de sûreté nucléaire).

Aujourd’hui en France, l’URT n’est que très marginalement recyclé dans les réacteurs après réenrichissement en U235(URE), à une teneur un peu supérieure à celle du combustible initial afin de compenser la pénalité de l’U236, qui capture les neutrons sans conduire à des fissions.

2. Le monorecyclage du Pu en REP

Le plutonium est recyclé en France aujourd’hui une seule fois en le mélangeant à de l’uranium appauvri issu des opérations d’enrichissement, dont le contenu résiduel en U235 est typiquement de l’ordre de 0,25 %. Il est intégré dans un combustible appelé MOX (pour Mixed OXyde), qui contient au départ environ 92 % d’uranium appauvri et 8 % de plutonium. C’est le monorecyclage.

Plusieurs pays, dont les USA, la Suède et la Finlande ne retraitent pas les CU, considérés alors comme des « déchets ultimes » qui seront stockés définitivement en couche géologique profonde. Cette option est dite de « cycle ouvert ». D’autres pays, comme la France et le Japon^[3], ont choisi le monorecyclage du CU pour leurs réacteurs à eau légère. La Russie retraite également son CU mais recycle le Pu dans des combustibles MOX chargés dans leurs RNR.

Les atouts du retraitement des combustibles usés associé au monorecyclage sont notables :

• la réduction de volume des combustibles usés d’environ un facteur 7 par rapport au stockage direct de ces combustibles usés ;
• la réduction de la consommation d’uranium naturel d’environ 10 % dans le cas du recyclage de la totalité du plutonium récupéré (situation actuelle en France lorsque l’usine MEMOX est pleinement opérationnelle).

Il présente cependant des limites :

• Le REP n’étant pas optimisé pour fonctionner avec du combustible MOX, le cœur n’est « moxé » qu’à environ 30%.
• Le Pu est partiellement utilisé et l’uranium appauvri n’est que marginalement consommé. Ces matières énergétiques restent donc entreposées dans l’attente d’une valorisation future.

L’essentiel de l’U238 fertile reste ainsi inutilisé alors que son potentiel énergétique (après sa transformation en Pu) est le même que celui de l’U235 fissile. La valorisation du Pu dans le MOX reste modeste, environ 25 % par recyclage, et les stocks de Pu continuent à croître.

3. Multirecyclage du Pu en REP ou surgénération dans un parc nucléaire de 4ème génération ? 

Une étude très argumentée pour aller au-delà du monorecyclage actuel a été réalisée dans le cadre de l’élaboration du Plan national de gestion des matières et des déchets radioactifs^[4], avec un objectif d’optimisation des ressources naturelles. Quatre options ont été comparées :

1. un parc REP sans recyclage ou « cycle ouvert » servant de référence
2. un parc REP avec monorecyclage du Pu
3. un parc REP avec multirecyclage du Pu
4. un parc RNR avec multirecyclage de l’uranium et du Pu ou « cycle fermé »

Le tableau ci-dessous montre clairement les performances inégalables des surgénérateurs (colonne 4), qu’il s’agisse de la consommation ou de la production de déchets ultimes.

Source : https://nucleairedurable.fr/le-multirecyclage-en-rep.html

Par rapport à l’option 1, sans recyclage, le monorecyclage du Pu en REP (option 2) permet de réduire de 10% (et jusqu’ 12 %) le besoin en uranium et de réduire de 40 % la quantité de Pu produite lors du cycle ouvert. Mais il augmente de 66 % la quantité d’actinides mineurs mise aux déchets.

3.1. – Le multirecyclage du Pu en REP (option 3) est moins performant que le monorecyclage car il faut enrichir davantage l’uranium pour compenser la dégradation isotopique du Pu après chaque recyclage, avec croissance de la part non fissile de ce Pu (isotopes 238, 240 et 242) : on dit que le plutonium se dégrade. De plus, il augmente de 300 % la quantité d’actinides mineurs à mettre aux déchets par rapport au cycle ouvert (aucun recyclage du Pu). Ainsi, le multirecyclage du Pu en REP transforme une large partie de la matière énergétique en déchets ultimes tout en continuant à consommer la ressource primaire, l’U Le gain de consommation d’uranium naturel, qui est d’environ 10 % avec le monorecyclage, n’est que de 15 % avec le multirecyclage, toutes choses égales par ailleurs. Les études actuelles estiment à environ 20% le gain potentiel dans le cas d’un multirecyclage portant à 50% la part de MOX chargé dans le réacteur (au lieu de 30% actuellement pour le monorecyclage).

Deux obstacles cependant :

• la technologie du multirecyclage n’est pas encore qualifiée et nécessiterait des études longues et coûteuses alors que les moyens d’essais du CEA, les réacteurs d’irradiation en particulier, sont tous arrêtés.
• Les installations industrielles actuelles, et particulièrement l’usine MELOX de fabrication des combustibles MOX, n’ont pas été conçues pour un plutonium ayant composition isotopique aussi dégradée (vers 50 % de Pu non fissile) et des teneurs en matière fissile qui doivent être plus élevées pour compenser cette dégradation. Un tel scénario impliquerait évidemment de mettre en œuvre de nouvelles capacités de retraitement et de fabrication de combustibles MOX, ce qui nécessiterait de lourds investissements que rien ne justifie.

3.2. – La préparation du déploiement des réacteurs surgénérateurs

L’objectif doit, en cohérence avec une politique de développement durable et de préservation des ressources, viser à constituer un stock de plutonium de bonne qualité, issu du premier retraitement ou de celui du monorecyclage, pour préparer un déploiement ambitieux des réacteurs dits « à neutrons rapides » (RNR), de 4ème génération, qui présentent l’énorme avantage de transformer efficacement l’uranium 238 en PU 239 fissile de bonne qualité par capture neutronique. L’extraordinaire stock d’uranium appauvri que nous détenons devient un combustible et nous protège d’un épuisement progressif de la ressource en uranium naturel.

4 – Éléments de réflexion pour une politique nucléaire

L’arrêt du projet de réacteur rapide de démonstration Astrid, en 2019, était en contravention avec la loi de 2006, qui prévoyait explicitement la mise en service d’un tel réacteur 2020, ce que l’OPECST a explicitement condamné, le parlement n’ayant pas été consulté. Cette décision, qui visait à reporter sine-die le développement industriel des RNR, a remis en selle le projet de multirecyclage du plutonium en REP, malgré ses inconvénients. L’objectif des décideurs semble être de limiter l’inventaire global de plutonium, abandonnant ainsi l’objectif de préservation des ressources. Cette orientation conduit à transformer en déchets une réserve énergétique considérable, l’uranium appauvri, déjà présent sur le sol national, ce qui a déjà été proposé par la DGEC (ministère de la transition énergétique). C’est une solution qui, techniquement parlant, revient à mettre de « l’or à la poubelle » et se révèlera coûteuse car le combustible, plus irradiant, nécessitera des investissements pour le retraitement et la fabrication, dont le réalisme technologique et économiques n’est pas encore démontré.

C’est une vision étriquée du développement de l’énergie nucléaire sur le long terme, qui doit impérativement s’affranchir de la dépendance aux approvisionnement en uranium naturel. Seuls les réacteurs régénérateurs (ou mieux encore surgénérateurs) offrent la capacité à consommer la quasi-totalité de l’inventaire de l’uranium, le 238 comme le 235. C’est une réalité scientifique et technique incontestable validée par l’expérience internationale significative acquise sur les prototypes de ces réacteurs nucléaires, en particulier en France. A cet égard il convient de rappeler deux éléments fondamentaux qui doivent servir de base à l’élaboration d’un stratégie responsable dans ce domaine:

• Selon les estimations communes de l’AIEA et de l’OCDE, les ressources assurées ou présumées en Unat exploitables à des coûts raisonnables sont de l’ordre de 12 millions de tonne (15 millions de tonnes en acceptant de payer 4 à 5 fois le prix moyen à long terme de l’uranium tel qu’il est pratiqué aujourd’hui sur les marchés).
• Compte tenu de ces chiffres et de la consommation actuelle dans le monde (autour de 60 000 tonnes par an), une raréfaction des ressources en uranium se profile à la fin de ce siècle, même en supposant une croissance limitée du parc mondial de réacteurs nucléaires.

Il faut donc constituer le stock de plutonium de bonne qualité permettant le déploiement de la quatrième génération. Une telle décision serait d’autant plus fondée que nous sommes le seul pays au monde qui rassemble tous les atouts pour déployer ces RNR à grande échelle. En, effet :

• Nous possédons une expérience unique au monde sur cette technologie, grâce à notre vaste programme passé de R&D couronné par la construction et l’exploitation des RNR de puissance Phénix et Superphénix et l’étude d’Astrid.
• La France bénéfice d’un savoir-faire industriel exceptionnel sur le traitement de combustibles usés, le recyclage du plutonium et la fabrication de combustibles MOX.
• Nous avons accumulé sur notre territoire national un stock précieux et considérable d’uranium appauvri (330 000 tonnes à ce jour). Stable chimiquement, non inflammable, faiblement radioactif et de très faible volume, son entreposage ne pose aucun problème critique et ne présente aucun risque pour l’environnement.

L’examen des dizaines de projets en développement dans le monde sur les réacteurs innovants, avec de grands pays industriels comme les USA, la Chine, et maintenant des pays européens montre qu’il est urgent de décider d’une vision à long terme dans un domaine qui reste d’excellence en France.

[1] Se souvenir d’une notion fondamentale : un matériau peut-être fissile et délivrer une énorme quantité d’énergie lors d’une réaction en chaine contrôlée dans un réacteur : c’est le cas de l’U 235 ou du Pu 239. D’autres sont fertiles : en capturant des neutrons dans le réacteur un isotope fissile (ex. U 238) peut être transformé en un isotope fissile (PU 239) : c’est pourquoi il est nommé fertile.

[2] Deux isotopes ont les mêmes caractéristique chimiques mais diffèrent par leur masse (nombre de neutrons différents)

[3] L’Allemagne, la Belgique, l’Italie, les Pays-Bas, la Suède, la Suisse, l’Espagne, l’Australie et le Japon ont signé́ des contrats pour le traitement-recyclage de leurs combustibles usés en France ou au Royaume-Uni. Certains d’entre eux (Suisse, Allemagne, Belgique), ont utilisé du combustible MOX (fabriqué en France) dans leurs réacteurs

[4]Le Plan national de gestion des matières et des déchets radioactifs est élaboré sous l’égide de l’Autorité de Sûreté Nucléaire (ASN) en application de la loi du 28 juin 2006 relative à la gestion des matières et des déchets radioactifs.  https://www.asn.fr/espace-professionnels/installations-nucleaires/le-plan-national-de-gestion-des-matieres-et-dechets-radioactifs.

Lire l’article de Dominique Grenèche au format PDF :

Le multirecyclage du plutonium en REP, une stratégie perdante !