Qu’est-ce que l’uranium ?

Il existe trois isotopes naturels de l’uranium : l’uranium 234 (²³⁴U), l’uranium 235 (²³⁵U) et l’uranium 238 (²³⁸U). L’²³⁸U est le plus répandu et représente environ 99 % de l’uranium naturel sur Terre. La plupart des réacteurs nucléaires utilisent des combustibles qui contiennent de l’²³⁵U. Cependant, l’uranium naturel n’en contient généralement que 0,72 % et la plupart des réacteurs ont besoin d’une concentration plus élevée de cet isotope dans leur combustible. Par conséquent, la concentration en ²³⁵U est augmentée artificiellement par un processus appelé « enrichissement ». Seuls les réacteurs CANDU canadiens sont alimentés par de l’uranium non enrichi.

L’enrichissement de l’uranium est le processus par lequel la concentration isotopique de l’²³⁵U est portée de 0,72 % à 94 %. 

L’uranium est considéré comme faiblement enrichi si sa concentration isotopique d’²³⁵U reste inférieure à 20 %. La plupart des réacteurs commerciaux utilisent de l’uranium faiblement enrichi (UFE), enrichi à moins de 5 %, souvent appelé « uranium de qualité réacteur ». L’UFE ne se détériore pas et peut être entreposé en toute sûreté pendant de nombreuses années.

Si l’uranium est enrichi à plus de 20 %, il est considéré comme hautement enrichi. L’uranium avec des teneurs aussi élevées d’isotope ²³⁵U est principalement utilisé dans les réacteurs de propulsion navale (par exemple dans les sous-marins), dans les armes nucléaires et dans certains réacteurs de recherche.

Pour augmenter la concentration isotopique de l’²³⁵U, différentes méthodes peuvent être utilisées. En général, le concentré d’uranium est converti en gaz, l’hexafluorure d’uranium. Ce gaz est ensuite pompé dans des cylindres en rotation rapide — les centrifugeuses — où les isotopes les plus lourds, tels que l’²³⁸U, sont poussés vers les parois, tandis que l’²³⁵U, plus léger, reste au centre. Cela permet de « filtrer » et de recueillir le gaz contenant des concentrations en ²³⁵U plus élevées. Ce processus peut être répété jusqu’à l’obtention d’une concentration isotopique suffisante en²³⁵U. Le gaz acquis subit ensuite un processus de reconversion qui lui permet de transformer l’²³⁵U en une poudre noire, le dioxyde d’uranium.

Au XX^e siècle, le minerai d’uranium était principalement extrait de mines à ciel ouvert ou de mines souterraines, ce qui nécessitait le concassage et le raffinage du minerai pour séparer l’uranium des autres éléments.

Au XXI^e siècle, cette méthode a été progressivement remplacée par la « lixiviation in situ ». Bien que cette technique n’ait permis de produire que 16 % de l’uranium extrait en 2000, la lixiviation in situ est actuellement la méthode d’extraction de l’uranium la plus courante. En 2020, environ 58 % de l’uranium extrait dans le monde l’a été par cette méthode.

La lixiviation in situ consiste à faire circuler dans les gisements souterrains d’uranium de l’eau à laquelle ont été ajoutés des éléments, tels que des agents complexants ou oxydants, ou des acides. Cette méthode permet de dissoudre l’uranium directement à partir du gisement. La solution obtenue est ensuite extraite du sous-sol et raffinée pour produire de l’oxyde d’uranium — du concentré d’uranium ou « yellowcake » —, qui est utilisé pour enrichir l’uranium.

Le processus constitué des différentes étapes que sont l’extraction de l’uranium, la transformation de celui-ci en combustible nucléaire, l’irradiation du combustible dans une centrale nucléaire et le stockage définitif des déchets qui en résultent s’appelle le cycle du combustible nucléaire.

Le cycle du combustible nucléaire est un processus industriel composé de plusieurs activités qui permet de produire de l’électricité à partir de l’uranium utilisé dans des réacteurs nucléaires de puissance. La prospection de l’uranium est suivie de l’extraction et de la préparation du minerai d’uranium brut. L’uranium brut doit ensuite être traité, notamment par enrichissement, afin d’optimiser son efficacité en tant que combustible. Après avoir été irradié dans les réacteurs, le combustible usé doit être entreposé pour être refroidi avant d’être stocké définitivement ou recyclé sous forme d’uranium de retraitement en vue de sa réutilisation en tant que source potentielle de production supplémentaire d’électricité. Les déchets générés par le recyclage et l’uranium appauvri doivent également être stockés définitivement.

Pour en savoir plus, consultez cette vidéo.

Avant sa transformation en combustible nucléaire, l’uranium passe par différents états : solide, liquide et gazeux. Tout d’abord, le minerai d’uranium à l’état solide est dissous dans un liquide et extrait par lixiviation in situ. Il est ensuite transformé en concentré d’uranium à l’état solide avant d’être converti en gaz, l’hexafluorure d’uranium. Ce gaz est alors transféré vers des centrifugeuses et transformé en dioxyde d’uranium destiné à l’enrichissement, ce qui permet d’obtenir les pastilles d’uranium qui forment la base des assemblages combustibles nucléaires utilisés par les centrales nucléaires.

Le dioxyde d’uranium est une substance qui ressemble à une poudre noire. Cette substance est comprimée et chauffée pour être frittée pour former des pastilles d’uranium. Les pastilles sont ensuite insérées une à une dans de longs tubes métalliques empilés pour former des assemblages combustibles — la principale source de combustible pour les réacteurs nucléaires.

Le combustible nucléaire peut être retraité dans des installations de recyclage spécialisées. L’uranium ainsi récupéré est appelé uranium de retraitement — il peut être réutilisé comme nouveau type de combustible.

Comme nous l’avons vu dans la section sur l’enrichissement, les centrifugeuses produisent de l’uranium qui contient une concentration isotopique en ²³⁵U plus élevée, ce qui signifie que les matières restantes en contiennent moins. Lorsqu’un sous-produit de l’enrichissement présente une concentration isotopique en ²³⁵U inférieure à 0,7 %, il est considéré comme appauvri.

L’uranium appauvri est moins radioactif que l’uranium naturel car il contient moins d’²³⁵U par unité de masse. Toutes les traces de descendants ont été retirées lors de la purification chimique de l’uranium avant son enrichissement. L’uranium appauvri peut être stocké définitivement en tant que déchet de faible activité ou utilisé dans la fabrication de combustible à mélange d’oxydes (MOX) ; du plutonium séparé est issu du retraitement des combustibles nucléaires usés.

En règle générale, une personne ordinaire reçoit une dose inférieure à 1 µSv par an du fait de l’ingestion et de l’inhalation de l’uranium. À titre de comparaison, un vol entre Paris et l’île de la Réunion vous expose à environ 58,8 µSv du fait du rayonnement cosmique. En outre, une personne ordinaire recevra une dose d’environ 120 µSv par an du fait de l’ingestion et de l’inhalation de descendants de l’uranium, tels que le radium 226 et ses descendants dans l’eau, le radon 222 dans les habitations et le polonium 210 dans la fumée de cigarette. Néanmoins, en raison des différences de régime alimentaire et de la variabilité de la quantité d’uranium présente dans l’eau potable, les niveaux de consommation d’uranium dans le monde varient fortement.

L’ingestion ou l’inhalation de grandes quantités d’uranium peuvent être dangereuses en raison de la toxicité chimique de cet élément. Les personnes intervenant dans la prospection, l’extraction et le traitement de l’uranium sont considérées comme faisant partie des groupes à risque et doivent porter des équipements de protection et respecter scrupuleusement les règles et les procédures afin de prévenir les problèmes de santé.

• L’AIEA effectue des missions d’examen intégré du cycle de production de l’uranium (IUPCR) qui aident les pays à améliorer leurs programmes nationaux de production d’uranium et les infrastructures connexes. Ces missions permettent de repérer les aspects qui demandent plus d’attention ou de ressources.
• L’AIEA fournit des documents d’orientation sur l’extraction de l’uranium, la fabrication de combustible à l’uranium et la gestion des résidus de la production d’uranium afin de garantir une gestion sûre et sécurisée à chaque étape du processus.
• L’AIEA accueille le colloque international intitulé « Production d’uranium et matières premières pour le cycle du combustible nucléaire » à son siège, à Vienne (Autriche), afin d’examiner tous les aspects de l’uranium en tant que matière première du cycle du combustible nucléaire et d’assurer la viabilité à long terme des programmes électronucléaires.
• L’AIEA élabore les normes de sûreté se rapportant à la radioprotection professionnelle des travailleurs intervenant dans l’extraction et le traitement de l’uranium.
• L’AIEA fournit une vue d’ensemble actualisée de la géologie de l’uranium et des ressources mondiales de ce minerai à l’échelle mondiale, ce qui donne un aperçu des possibles découvertes et sources actuelles et futures d’uranium. L’Agence tient également à jour une base de données des caractéristiques techniques, géographiques et géologiques des gisements d’uranium dans le monde. Cliquez ici pour voir la carte mondiale des gisements d’uranium.
• L’AIEA fournit des orientations sur l’utilisation des techniques d’analyse concernant les ressources non découvertes, y compris concernant l’uranium.
• Le Groupe de coordination pour les anciens sites de production d’uranium (CGULS) de l’AIEA promeut la coopération entre les États Membres qui possèdent d’anciens sites de production — les mines d’uranium abandonnées où l’on trouve des résidus de contaminants radioactifs et toxiques — et encourage la coopération avec les organismes nationaux et internationaux qui contribuent à l’assainissement sûr des sites. Pour en savoir plus, veuillez consulter cette vidéo.
• L’AIEA examine et synthétise les informations concernant la gestion de l’uranium de retraitement. Elle couvre les questions techniques et économiques liées à l’entreposage, à la manipulation et à la réutilisation de l’uranium de retraitement dans la production d’énergie d’origine nucléaire.