Enrichissement de l'uranium - Définition
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Applications industrielles
En 2001, les capacités mondiales d'enrichissement s'élevaient à 50 millions d'UTS par an, réparties sensiblement à parité entre les deux technologies.
La technologie de diffusion gazeuse équipe l'usine française du Tricastin - Georges Besse (10,8 millions d'UTS/an) ainsi que l'usine américaine de Paducah (11,3 millions d'UTS/an) et l'usine chinoise de Lanzhou (0,45 million d'UTS/an). Le fonctionnement à pleine capacité de l'usine Georges Besse utilise la puissance de trois des quatre réacteurs du site du Tricastin.
La technologie d'ultra-centrifugation est employée en Allemagne (Gronau : 1,3 million d'UTS/an), au Japon (Rokkasho (en) : 1,05 millions d'UTS/an), dans les Pays-Bas (Almelo : 1,5 million d'UTS/an), dans la Fédération de Russie (4 usines pour un total de 20 millions d'UTS/an), au Royaume-Uni (Capenhurst : 2 millions d'UTS/an) ainsi qu'en Chine (Shaanxi : 0,45 millions d'UTS/an) qui dispose des deux technologies. L'usine russe de Seversk a la particularité de pouvoir ré-enrichir l'uranium de retraitement. Cette technologie est aussi à la base du projet de l'usine Georges Besse II qui doit remplacer la première usine d'enrichissement d'Eurodif à sa fermeture, prévue en 2020.
Procédés d'enrichissement
Il existe plusieurs méthodes d’enrichissement. Toutes reposent sur la légère différence de masse entre uranium 235 et 238, à l'exception de la séparation par laser qui exploite les différences de spectre électromagnétique. Toutes également nécessitent la mobilité des atomes individuels, donc l'utilisation d'uranium sous forme de vapeur, de gaz d'hexafluorure d'uranium UF voire de liquide pour la diffusion thermique.
Actuellement, les procédés de diffusion gazeuse et de centrifugation dominent le marché, avec une transition vers la seconde, nettement moins énergivore. La diffusion thermique et la séparation électromagnétique appartiennent au passé, tandis que les procédés de séparation chimique ou par laser sont encore à l'étude.
Diffusion thermique
La diffusion thermique utilise le transfert de chaleur à travers une fine couche de liquide ou de gaz pour obtenir une séparation isotopique. Le procédé se fonde sur le fait que les molécules de gaz comportant des atomes de 235U, un peu plus légères, tendent à diffuser vers les surfaces plus chaudes, alors que les molécules à base de 238U, comparativement plus lourdes, tendent à diffuser vers une surface froide.
Ce procédé a été employé historiquement à l'usine S-50 à Oak Ridge (Tennessee, États-Unis), pendant la Seconde Guerre mondiale, comme première étape d'enrichissement avant une séparation isotopique électromagnétique. Le procédé a été abandonné depuis au profit de la diffusion gazeuse.
Séparation électromagnétique
Dans le procédé de séparation électromagnétique (en anglais electromagnetic isotope separation process - EMIS), l'uranium métallique est vaporisé, puis ionisé. Les cations ainsi produits sont accélérés, puis déviés par un champ magnétique. La différence de masse entre les isotopes 235 et 238 crée une différence dans le rapport de la charge électrique sur la masse. Le flux de ions est accéléré par un champ électrique et dévié par un champ magnétique. La différence sur le rapport e/m conduit à une déviation différentielle qui permet d'enrichir l'uranium.
Projet Manhattan. L'uranium enrichi de la première bombe atomique (Little Boy) a été obtenu par séparation électromagnétique, en utilisant un spectromètre de masse de taille industrielle, le calutron; Cette méthode, assez inefficace, a été largement abandonnée depuis.
Diffusion gazeuse
Ce procédé est basé sur la différence de masse, très faible, existant entre les molécules d’hexafluorure d'uranium 235, plus légères que celles d’hexafluorure d'uranium 238. En les faisant filtrer à travers des membranes adaptées, on arrive en multipliant suffisamment le nombre de cycles à obtenir de l’uranium enrichi.
La diffusion gazeuse requiert environ 60 fois plus d'énergie que le procédé d'ultracentrifugation, soit 6 % de l'énergie qui sera finalement produite avec l'uranium enrichi résultant.
C'est une méthode utilisée depuis la guerre froide, qui tend aujourd'hui à être remplacée par des procédés moins coûteux.
Centrifugation
- Ultracentrifugation
Ce procédé consiste à utiliser des centrifugeuses tournant à très grande vitesse. Les molécules les plus lourdes (238UF) se retrouvent projetées à la périphérie, alors que les plus légères (235UF) migrent vers le milieu de la centrifugeuse. Comme pour la diffusion gazeuse, le traitement doit être appliqué de nombreuses fois pour obtenir un enrichissement suffisant. Les centrifugeuses sont donc montées en cascades, le gaz passant de l'une à la suivante en augmentant progressivement sa teneur.
- Centrifugeuse Zippe
La centrifugeuse Zippe est une variante de la centrifugeuse standard, où le bas du cylindre en rotation est chauffé, ce qui crée des courants de convections qui tendent à entraîner l'U235 vers le haut, où il est collecté. Cette technologie a été employée au Pakistan, et peut-être en Corée du Nord.
- Enrichissement par flux laminaire
L'enrichissement par séparation de flux utilise la force centrifuge créée dans un gaz suivant à grande vitesse une trajectoire courbe à faible rayon. Le principe de la séparation (le gradient de pression dû aux différences de masses moléculaires) est le même que dans l'ultracentrifugation, l'avantage du dispositif étant d'éliminer les pièces mécaniques mobiles. L'effet est amélioré en diffusant l'hexafluorure d'uranium dans de l'hydrogène ou de l'hélium, ce qui améliore la vitesse du flux sans freiner la diffusion de UF6 dans la veine gazeuse. Ce procédé a été développé en Afrique du Sud, et une usine expérimentale a été construite au Brésil. Toutefois, il n'est pas employé à échelle industrielle, du fait de sa grande consommation énergétique.
Séparation chimique
Le procédé Chemex : un procédé chimique, qui consiste en des échanges répétés entre une phase aqueuse d'uranium trivalent et une phase organique d'uranium tétravalent. L'enrichissement se fonde sur l'idée que la vitesse de réaction chimique n'est pas rigoureusement la même pour les deux isotopes. Les solutions sont préparées en utilisant l'uranium naturel et non l'UF6. Cette technologie n'est pas arrivée à une maturité suffisante pour être développée.
Séparation par laser
La Séparation Isotopique par Laser sur la Vapeur Atomique de l’uranium (SILVA) joue sur la légère différence de spectre électromagnétique entre l'U-235 et l'U-238, due à ce que l'environnement des électrons externes n'est pas tout à fait le même dans les deux atomes. En ajustant convenablement la fréquence de la lumière excitatrice, il est alors possible d'exciter sélectivement l'un ou l'autre isotope, jusqu'à arracher l'électron externe et ioniser l'atome.
Dans cette technique, l'uranium métal est vaporisé, et des faisceaux laser éclairent cette vapeur et ionisent sélectivement l'uranium 235, qui est collecté sur des plaques chargées négativement. L'uranium 238, encore neutre, se condense sur le toit du séparateur. Cette technologie est l'objet d'études mais n'est pas encore arrivée à une maturité suffisante pour être développée à des fins industrielles.
