Une centrale nucléaire française consomme en moyenne 8000 à 9000 tonnes d’uranium naturel chaque année pour alimenter ses 57 réacteurs. Ces chiffres impressionnent, mais ils cachent une réalité remarquable : après transformation et enrichissement, seulement 20 tonnes d’uranium enrichi suffisent pour faire fonctionner un réacteur de 1000 MW pendant un an. Comprendre ces quantités et surtout le type d’uranium utilisé permet de saisir toute l’efficacité énergétique de cette technologie.
Les quantités d’uranium nécessaires pour une centrale nucléaire
À l’échelle d’un réacteur
Un réacteur nucléaire de 1000 MW consomme environ 200 tonnes d’uranium naturel par an. Cette matière première subit ensuite un processus d’enrichissement qui la concentre considérablement.
Au final, ce sont 20 tonnes d’uranium enrichi qui alimentent réellement le cœur du réacteur pendant 12 mois. Ce volume tient dans un mètre cube, ce qui représente une densité énergétique exceptionnelle par rapport aux énergies fossiles.
Pour produire la même quantité d’électricité qu’un réacteur nucléaire, il faudrait brûler 9,1 millions de tonnes de charbon ou 4,2 millions de tonnes de gaz naturel. L’uranium se distingue donc par son rapport poids/énergie incomparable.
À l’échelle du parc nucléaire français
Le parc français compte 57 réacteurs nucléaires répartis dans 18 centrales. Ces installations consomment collectivement entre 8000 et 9000 tonnes d’uranium naturel chaque année.
Cette consommation représente environ 13% de la demande mondiale, estimée à 62 000 tonnes annuelles. La France se positionne ainsi comme l’un des plus gros consommateurs d’uranium au monde, proportionnellement à son parc nucléaire développé.
EDF renouvelle environ un tiers du combustible de chaque réacteur tous les ans, soit près de 1200 assemblages combustibles remplacés annuellement sur l’ensemble du parc.
Quel type d’uranium : naturel, enrichi et fissile
L’uranium naturel extrait des mines
L’uranium naturel provient de gisements miniers répartis principalement au Kazakhstan (43% de la production mondiale), au Canada (15%) et en Australie. La France importe la totalité de son uranium auprès d’Orano, qui exploite des mines au Niger et au Kazakhstan notamment.
La composition de l’uranium naturel reste constante : 99,3% d’uranium 238 (U238) et seulement 0,7% d’uranium 235 (U235). Seul l’isotope U235 est fissile, c’est à dire capable de libérer de l’énergie par fission nucléaire.
Le minerai extrait contient entre 1 et 200 kg d’uranium par tonne de roche. Après broyage et traitement chimique, on obtient le yellow cake, une poudre jaune concentrée à 75% d’oxyde d’uranium. 1000 tonnes de minerai produisent entre 1,5 et 10 tonnes de yellow cake selon la qualité du gisement.
L’uranium enrichi utilisé dans les réacteurs
L’uranium naturel ne peut pas être utilisé tel quel dans les réacteurs français de type REP (Réacteur à Eau Pressurisée). La proportion d’U235 fissile doit être augmentée entre 3 et 5% pour permettre une réaction en chaîne contrôlée et stable.
Cette opération d’enrichissement nécessite d’abord une conversion du yellow cake en hexafluorure d’uranium (UF6), un composé gazeux à température modérée. Sous cette forme, l’uranium passe ensuite dans des centrifugeuses ultrarapides qui séparent progressivement les isotopes grâce à leur légère différence de masse.
L’ultracentrifugation consomme 50 fois moins d’énergie que l’ancienne méthode par diffusion gazeuse utilisée jusqu’en 2012. L’usine Georges Besse II d’Orano réalise cette étape pour l’ensemble du parc français depuis 2011.
De la pastille à l’assemblage combustible
L’uranium enrichi se transforme en poudre noire après traitement. Comprimée et cuite au four à haute température, cette poudre devient des pastilles cylindriques de 7 grammes et 1 centimètre de long.
Une seule pastille libère autant d’énergie qu’une tonne de charbon. Ces pastilles sont empilées dans des tubes métalliques hermétiques de 4 mètres de long : les crayons combustibles.
Les crayons sont regroupés par 264 unités pour former un assemblage combustible. Un réacteur de 900 MW contient 157 assemblages, soit plus de 11 millions de pastilles au total dans le cœur du réacteur.
Le cycle du combustible nucléaire
Du minerai au combustible
Le parcours de l’uranium de la mine au réacteur suit cinq étapes successives et rigoureuses.
L’extraction du minerai s’effectue dans des mines à ciel ouvert ou souterraines. Le minerai broyé subit des traitements chimiques pour en extraire l’uranium et produire le yellow cake.
La conversion transforme ce concentré d’uranium en hexafluorure d’uranium (UF6), seule forme permettant l’enrichissement isotopique par voie gazeuse.
L’enrichissement par ultracentrifugation porte la teneur en U235 de 0,7% à 3 ou 5% selon les besoins du réacteur. Cette étape génère également de l’uranium appauvri, stocké pour une valorisation future.
La fabrication convertit l’uranium enrichi en poudre puis en pastilles assemblées dans des crayons et des structures métalliques formant les assemblages combustibles.
Le chargement dans le réacteur s’effectue sous eau pour protéger les opérateurs des rayonnements. Les assemblages restent dans le cœur du réacteur entre 4 et 5 ans.
Durée de vie et renouvellement
Les assemblages combustibles séjournent 4 à 5 ans dans le cœur du réacteur. Pendant cette période, la fission de l’U235 produit de la chaleur et des produits de fission radioactifs.
Chaque année, les exploitants remplacent un tiers des assemblages lors d’arrêts programmés. Cette rotation garantit un fonctionnement optimal et stable du réacteur tout en maximisant l’utilisation du combustible.
Les assemblages usés restent ensuite 3 ans en piscine de refroidissement sur le site de la centrale. L’eau capture les rayonnements radioactifs pendant que le combustible perd progressivement sa radioactivité initiale.
Après refroidissement, les assemblages partent vers l’usine de retraitement de La Hague. Le recyclage sépare l’uranium et le plutonium réutilisables des déchets ultimes. Le plutonium récupéré permet de fabriquer du combustible MOX, utilisé dans 24 réacteurs français. Cette stratégie économise 900 tonnes d’uranium naturel chaque année.
Pourquoi ces quantités sont si faibles
Une densité énergétique exceptionnelle
L’uranium possède la plus forte densité énergétique de toutes les sources d’énergie utilisées à l’échelle industrielle. Cette caractéristique explique les quantités apparemment modestes nécessaires pour produire des volumes colossaux d’électricité.
Un assemblage combustible alimente en électricité une ville de 100 000 habitants pendant un an pour leurs besoins domestiques. Trois ou quatre pastilles d’uranium suffisent pour couvrir la consommation électrique annuelle d’une famille de quatre personnes.
Pour égaler la production de 25 milliards de kWh des cinq centrales suisses, il faudrait disposer de 220 kilomètres carrés de panneaux solaires (l’équivalent du canton de Neuchâtel) ou de 180 000 wagons remplis de charbon.
L’efficacité du processus de fission
La fission d’un noyau d’uranium 235 libère environ 200 millions d’électronvolts. Cette énergie, multipliée par les milliards de fissions qui se produisent chaque seconde dans le réacteur, génère une puissance thermique considérable.
La réaction en chaîne amplifie naturellement le phénomène. Chaque fission libère 2 ou 3 neutrons qui provoquent à leur tour d’autres fissions. Le réacteur contrôle cette réaction grâce à des barres de contrôle en bore qui absorbent l’excès de neutrons.
Le rendement global d’une centrale nucléaire atteint 33%, ce qui signifie qu’un tiers de l’énergie thermique produite se transforme en électricité. Les deux tiers restants partent en chaleur résiduelle, évacuée par les tours de refroidissement. Malgré cette limite thermodynamique commune à toutes les centrales thermiques, l’uranium reste la source d’énergie la plus concentrée disponible aujourd’hui.
Les 20 tonnes d’uranium enrichi consommées annuellement par un réacteur de 1000 MW produisent environ 7 milliards de kWh d’électricité. Cette performance repose entièrement sur la capacité de l’uranium 235 à libérer, par sa fission, une quantité d’énergie sans commune mesure avec toute combustion chimique classique.
