L’uranium alimente aujourd’hui plus de 400 réacteurs nucléaires à travers le monde et représente la principale source de combustible pour la production d’électricité d’origine nucléaire. Ce choix ne relève pas du hasard mais repose sur des propriétés physiques et chimiques exceptionnelles qui en font un combustible sans équivalent dans le paysage énergétique actuel.
Une densité énergétique sans équivalent
Des chiffres qui parlent d’eux-mêmes
La première raison qui justifie l’utilisation de l’uranium dans les centrales nucléaires tient à sa densité énergétique colossale. Une seule pastille d’uranium de 7 grammes peut produire autant d’énergie qu’une tonne de charbon. Ce rapport de 1 à 140 000 change radicalement la donne en matière de logistique et de stockage.
Concrètement, trois à quatre pastilles suffisent pour alimenter un foyer de quatre personnes pendant un an en électricité. Un assemblage combustible, qui contient 264 crayons remplis de ces pastilles, peut approvisionner une ville de 100 000 habitants en énergie domestique pendant douze mois.
Cette concentration énergétique extrême signifie qu’un réacteur de 900 MWe ne nécessite que 157 assemblages, soit environ 11 millions de pastilles, pour fonctionner. Comparé aux quantités astronomiques de charbon, de gaz ou de pétrole requises pour produire la même quantité d’électricité, l’uranium offre un avantage logistique considérable.
L’avantage compétitif face aux combustibles fossiles
Cette densité énergétique réduit drastiquement les besoins en transport et en stockage. Là où une centrale à charbon doit recevoir quotidiennement des dizaines de wagons de combustible, une centrale nucléaire renouvelle seulement un tiers de son combustible chaque année. Cette autonomie simplifie la chaîne d’approvisionnement et limite les risques d’interruption liés aux aléas de transport.
L’empreinte logistique réduite se traduit également par des économies substantielles et une meilleure prévisibilité des coûts d’exploitation. Le combustible nucléaire représente environ 10% du coût total de production d’électricité, contre 60 à 80% pour les centrales à gaz ou à charbon.
La fission nucléaire, un phénomène unique
Le principe de la réaction en chaîne
L’uranium doit son statut de combustible nucléaire à un phénomène physique rare : la fission nucléaire. Lorsqu’un neutron percute un noyau d’uranium 235, celui-ci se scinde en deux fragments plus légers en libérant une quantité d’énergie considérable et, surtout, deux ou trois nouveaux neutrons.
Ces neutrons libérés vont à leur tour percuter d’autres noyaux d’uranium 235, créant une réaction en chaîne auto-entretenue. Dans les centrales nucléaires, cette réaction est parfaitement contrôlée grâce à des barres de contrôle qui absorbent les neutrons excédentaires et permettent de réguler la puissance du réacteur.
L’énergie libérée par cette fission représente plus d’un million de fois celle produite par la combustion d’une masse équivalente de combustibles fossiles. Cette libération d’énergie prend la forme de chaleur, qui est ensuite utilisée pour produire de la vapeur, actionner des turbines et générer de l’électricité.
Pourquoi l’uranium 235 précisément
L’uranium naturel existe sous forme de deux isotopes principaux : l’uranium 238 (99,3% du total) et l’uranium 235 (0,7% seulement). Or, seul l’uranium 235 est naturellement fissile, c’est-à-dire capable de subir une fission par simple capture d’un neutron.
L’uranium 238, bien que majoritaire, ne peut pas soutenir une réaction en chaîne dans les conditions normales d’un réacteur. C’est pourquoi l’uranium naturel doit être enrichi pour augmenter la proportion d’uranium 235 à un taux de 3 à 5%, suffisant pour maintenir une réaction en chaîne stable dans les réacteurs à eau pressurisée.
Cet enrichissement exploite la légère différence de masse entre les deux isotopes, généralement par ultracentrifugation. Le résultat est un combustible enrichi utilisable en réacteur et un sous-produit d’uranium appauvri qui conserve d’autres applications industrielles.
Un élément naturel abondant et accessible
Une disponibilité mondiale
Contrairement à une idée reçue, l’uranium n’est pas un élément rare. Il est environ 500 fois plus abondant que l’or dans la croûte terrestre et se trouve pratiquement partout en quantités infimes, dans les roches, les sols, l’eau et même les océans, qui en contiennent environ quatre milliards de tonnes sous forme dissoute.
Les principaux producteurs mondiaux sont le Kazakhstan (43% de la production), le Canada (15%), l’Australie (12%), le Niger et la Namibie. Ces gisements exploitables contiennent des concentrations d’uranium allant de 1 à 200 kilogrammes par tonne de minerai, ce qui rend l’extraction économiquement viable.
Les réserves mondiales identifiées représentent plus de 6 millions de tonnes d’uranium récupérable à des coûts raisonnables, suffisantes pour alimenter les réacteurs actuels pendant plus d’un siècle. Cette disponibilité géographique diversifiée limite les risques géopolitiques d’approvisionnement et permet aux pays consommateurs de sécuriser leurs chaînes d’approvisionnement.
Un processus d’extraction et de transformation maîtrisé
Le minerai d’uranium, appelé uraninite ou pechblende, est extrait de mines à ciel ouvert ou souterraines. Après extraction, il subit un traitement chimique : broyage, concassage et attaque chimique pour concentrer l’uranium et obtenir une pâte jaune appelée yellow cake, contenant 75% d’oxyde d’uranium.
Ce concentré est ensuite purifié et converti en hexafluorure d’uranium (UF6), une forme gazeuse nécessaire à l’enrichissement. Après enrichissement, l’uranium est reconverti en poudre noire d’oxyde d’uranium qui, comprimée et cuite à haute température, forme les fameuses pastilles.
Ces pastilles sont empilées dans des tubes métalliques de 4 mètres de long, les crayons, hermétiquement fermés. Ces crayons sont ensuite assemblés par lots de 264 pour constituer les assemblages combustibles qui seront chargés dans le cœur du réacteur. Chaque étape de cette transformation est maîtrisée industriellement depuis plus de 60 ans.
Des propriétés physiques et chimiques adaptées
Au-delà de sa capacité à subir la fission, l’uranium possède des caractéristiques qui facilitent son utilisation industrielle. Sous forme d’oxyde, il reste stable à haute température, ce qui est indispensable dans le cœur d’un réacteur où les températures atteignent plusieurs centaines de degrés Celsius.
Sa période radioactive très longue (4,5 milliards d’années pour l’uranium 238 et 704 millions d’années pour l’uranium 235) signifie qu’il se désintègre naturellement de manière extrêmement lente. Cette stabilité relative facilite sa manipulation, son transport et son stockage avant utilisation.
Le fait que l’uranium soit utilisé sous forme solide (pastilles compactées) représente un avantage technique majeur. Contrairement aux combustibles gazeux ou liquides, il ne risque pas de fuite massive en cas d’incident et reste confiné dans ses gaines métalliques. Cette propriété améliore considérablement la sûreté des installations.
Enfin, l’uranium s’intègre parfaitement aux technologies de réacteurs développées depuis les années 1950. Les réacteurs à eau pressurisée (REP), qui représentent la majorité du parc mondial, ont été conçus spécifiquement pour optimiser l’utilisation de l’uranium enrichi. Cette compatibilité technique assure une continuité industrielle et limite les coûts de R&D.
Les alternatives possibles et leurs limites
D’autres éléments fissiles existent théoriquement. Le thorium 232, quatre fois plus abondant que l’uranium, suscite un intérêt croissant. Mais il n’est pas directement fissile et doit être transformé en uranium 233 dans un réacteur, ce qui complexifie le processus. Les technologies associées, bien que prometteuses, restent au stade de la recherche et ne sont pas déployées à l’échelle industrielle.
Le plutonium 239, lui, est fissile mais n’existe pas naturellement. Il est produit dans les réacteurs à partir de l’uranium 238 et peut être récupéré par retraitement du combustible usé. En France, ce plutonium est mélangé à de l’uranium appauvri pour fabriquer le combustible MOX, utilisé dans certains réacteurs. Mais cette filière ne peut exister sans l’uranium comme matière première initiale.
L’uranium 235 demeure donc le seul isotope fissile naturel disponible en quantités suffisantes et exploitable avec les technologies actuelles. Cette singularité explique pourquoi il reste le standard industriel mondial pour la production d’électricité nucléaire.
L’uranium cumule des avantages décisifs : une densité énergétique exceptionnelle, la capacité unique de subir une fission contrôlée, une disponibilité mondiale importante et des propriétés physiques adaptées à une utilisation industrielle sûre. Ces caractéristiques combinées expliquent pourquoi 440 réacteurs dans le monde continuent de faire confiance à ce combustible et pourquoi les projections tablent sur une augmentation de 75% des capacités nucléaires mondiales d’ici 2040. L’uranium reste le pilier de la production nucléaire, une position que ni le thorium ni aucune autre alternative ne peuvent aujourd’hui remettre en question à court et moyen terme.
