Enrichissement de l'uranium - Définition
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Introduction
L'enrichissement de l’uranium est le procédé consistant à augmenter la proportion d'isotope fissile dans l’uranium. L'opération la plus commune est l'enrichissement de l'uranium naturel en son isotope 235. Par extension, l'enrichissement est aussi la teneur en matière fissile.
L’uranium naturel contient 0,71 % d’uranium 235. Or pour provoquer une réaction de fission nucléaire dans les réacteurs à eau pressurisée, il faut disposer d’un uranium qui contienne entre 3 et 5 % de l’isotope 235. Les deux isotopes 235U et 238U ayant les mêmes propriétés chimiques, on se base sur leur seule différence physique, les trois neutrons d'écart, qui expliquent une légère différence de masse atomique.
L’enrichissement de l’uranium est à la base des filières de réacteurs électrogènes à eau ordinaire (REP et REB). Cette technologie fonde également le développement des armes atomiques à l'uranium enrichi.
Classification de l'uranium selon son enrichissement
Uranium naturel
L'uranium naturel (en anglais natural uranium — NU) a une teneur en uranium 235 de 0,71 %.
Uranium légèrement enrichi
L'uranium légèrement enrichi (en anglais, Slightly enriched uranium - SEU) a une concentration de 235U comprise entre 0,9% et 2%. Il se classe donc parmi l'uranium faiblement enrichi (0,71% à 20%, voir plus bas).
Cette qualité d'enrichissement est destinée à remplacer l'uranium naturel comme combustible dans certains types de réacteur à eau lourde, comme les réacteur CANDU. Un léger enrichissement permet d'optimiser les coûts, parce que le chargement demande en conséquence moins d'uranium. Ceci réduit la quantité de combustible consommé, et le coût ultérieur de gestion des déchets. L'uranium de retraitement (URT) est issu du traitement des combustibles UOX irradiés. Son enrichissement est de l'ordre de 1% et sa composition isotopique est plus complexe (présence notable d'uranium 234). L'uranium ré-enrichi (URE) est de l'uranium de retraitement qui a subi une nouvelle étape d'enrichissement, l'amenant à une teneur en uranium 235 de quelques pourcents.
L'uranium retraité (en anglais, Recovered uranium - RU) est un type d'uranium légèrement enrichi. Il est produit dans les cycles de réacteur à eau légère : le combustible nucléaire usagé de ces filières contient au final une proportion d'U-235 supérieure à la teneur naturelle, et peut être utilisé dans les réacteurs qui consomment de l'uranium naturel ou légèrement enrichi.
Uranium faiblement enrichi
Du point de vue de la réglementation internationale, l'uranium dont l'enrichissement en 235U reste inférieur à 20% est dit faiblement enrichi. C'est en particulier le cas de l'uranium destiné au combustible nucléaire des centrales électrogènes.
L'uranium faiblement enrichi (en anglais, Low-enriched uranium - LEU) est typiquement utilisé à des taux d'enrichissement de 3 à 5 % dans des réacteur à eau légère, le type de réacteur le plus courant dans le monde. Des réacteurs de recherche utilisent des taux d'enrichissement allant de 12% à 19.75%, cette dernière concentration à la limite réglementaire étant utilisée comme produit de substitution pour faire fonctionner des réacteurs initialement conçus pour de l'uranium hautement enrichi.
L'uranium de retraitement (URT) est issu du traitement des combustibles UOX irradiés. Son enrichissement est de l'ordre de 1% et sa composition isotopique est plus complexe (présence notable d'uranium 234). L'uranium ré-enrichi (URE) est de l'uranium de retraitement qui a subi une nouvelle étape d'enrichissement, l'amenant à une teneur en uranium 235 de quelques pourcents.
Uranium hautement enrichi
Au-delà d'une concentration en 235U supérieure à 20%, l'uranium est considéré comme "hautement enrichi" (en anglais, Highly enriched uranium - HEU) par les conventions internationales.
Cette qualité d'uranium est utilisée dans certains types de réacteur à neutrons rapides comme les réacteurs de motorisation de porte-avions dits "à propulsion nucléaire", à des taux pouvant être compris entre 50% et 90%. Le réacteur civil Fermi-1 fonctionne ainsi à un taux d'enrichissement nominal de 26.5%.
Le stock mondial d'uranium hautement enrichi était de l'ordre de 2 000 tonnes en 2000 (à comparer aux 2 300 000 tonnes d'uranium produites au total dans le monde).
Uranium de qualité militaire
Bien que la limite fixée par la réglementation internationale soit de 20%, la teneur en isotope 235 (ou 233) nécessaire en pratique pour des applications militaires dépasse 85%. Pour des taux d'enrichissement de l'ordre de 80 à 90%, l'uranium hautement enrichi est dit de qualité militaire. Il est utilisable pour fabriquer une arme nucléaire.
La masse critique nécessaire pour un uranium enrichi à 85% est de l'ordre de 50 kilogrammes. Il est possible de fabriquer des bombes atomiques avec des taux d'enrichissement plus faibles, jusqu'à 20% (voire moins, selon certains auteurs), mais cette possibilité est assez théorique : la masse critique nécessaire est d'autant plus grande que le taux d'enrichissement est plus faible. Quand le taux d'enrichissement est plus faible, la présence d'238U inhibe la réaction en chaîne, ce qui s'ajoute à l'effet de dilution de l'235U. Il est théoriquement possible de diminuer la masse critique nécessaire avec des réflecteurs à neutron, et/ou en faisant imploser la charge, mais ces techniques ne sont en pratique accessibles qu'à des pays qui ont déjà une expérience suffisante dans la conception d'armes atomiques.
Uranium appauvri
Le résidu de l'enrichissement est de l'uranium appauvri dont la teneur en 235U est de l'ordre de 0,2 à 0,3%. L'uranium appauvri est utilisé dans la fabrication du combustible MOX pour les REP ou les RNR et a d'autres utilisations marginales (obus, lests...). La majorité de la production est stockée car il contient de l'uranium 238 (pour plus de 99,3%), isotope fertile susceptible d'être employé dans des filières à surgénérateur.
