Combustible MOX

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Le combustible MOX (ou MOx) est un combustible nucléaire constitué d'environ 8,5 % de plutonium et 91,5 % d'uranium appauvri. Le terme MOX est l'abréviation de « Mélange d'OXydes » (ou Mixed OXides en anglais) car le combustible MOX contient du dioxyde de plutonium (PuO2) et du dioxyde d'uranium appauvri (UO2), produit en poudre, granulés ou pastilles (Pellets)[1].

Actuellement, le MOX n'est produit que par le groupe français Areva[2]. Cette production constitue un débouché technique pour le retraitement nucléaire du plutonium issu des combustibles usés[3]. Les États-Unis et la Russie ont aussi envisagé que leurs surplus militaires de plutonium puissent être éliminés sous forme de MOx dans le cadre de la politique internationale de désarmement nucléaire[4].

Histoire[modifier | modifier le code]

Le MOX est apparu vers les années 1960 dans les centres de recherche (la première irradiation connue est celle du réacteur BR3 de Mol en 1964) et fut même testé par les États-Unis, qui le rejetèrent le considérant dangereux et peu rentable.

Dans les années 1980, le gouvernement français met en place un programme de combustible nucléaire utilisant le plutonium. EDF signa alors un accord avec la COGEMA pour utiliser du combustible MOX dans certains de ses réacteurs nucléaires, sous la condition que cela soit économiquement intéressant. Pourtant, en 1989, EDF a calculé que l'utilisation du MOX ne serait pas économiquement intéressante. Les coûts additionnels sur 10 ans de l'utilisation du combustible MOX à la place de l'uranium étaient estimés à 2,3 milliards de francs français, soit environ 350 millions d'euros. Mais puisque le contrat de traitement était déjà signé avec la COGEMA, EDF décida de poursuivre le programme MOX afin de maintenir l'option de traitement ouverte pour les prochaines générations de réacteurs nucléaires.

L'explication du député français Christian Bataille sur l'origine de l'utilisation du MOX en France est la suivante : « l'échec [...] de la filière des surgénérateurs - en 1997 - posait le problème de la pertinence du traitement. Pourquoi, en effet, continuer des opérations compliquées et coûteuses s'il n'existe plus de débouché pour les produits issus du recyclage ? Face à cette situation, la France, qui disposait avec les installations de l'usine de retraitement de la Hague d'importantes capacités de traitement, a décidé de se tourner vers une solution alternative : la fabrication du combustible MOX. ».

En 2010, dans le monde la plupart des réacteurs nucléaires utilisaient encore de l'uranium (UO2) comme combustible, mais en Europe, environ 40 réacteurs étaient autorisés à utiliser du MOX, et plus de 30 faisaient usage de ce droit[5].

La mise en œuvre du combustible MOX permet, en attendant le développement des réacteurs rapides surgénérateurs :

  • de maîtriser l'inventaire en plutonium (plafonner la quantité de plutonium à gérer) issu du retraitement des combustibles UO2 déchargés des réacteurs thermiques ;
  • de diminuer la quantité d'uranium naturel à utiliser.

Fabrication[modifier | modifier le code]

Le combustible MOX est fabriqué à partir d'un mélange de :

Le MOX contient entre 8 à 9 % de plutonium, dont 4 à 5 % fissile, c'est-à-dire essentiellement du Plutonium 239 et à la marge du Pu-241 très instable (demi-vie de 14 ans), le reste étant essentiellement formé par les isotopes 240 (fertile) et 242 (non fissile et très peu fertile).

Le plutonium provient de la transmutation de l'uranium 238 dans un réacteur nucléaire, dont il constitue un sous-produit. La combustion de ce plutonium en réacteur permet une diminution globale de la quantité de plutonium à traiter en tant que déchet. Par séparation chimique, le plutonium est récupéré puis transformé en dioxyde de plutonium avant d'être mélangé avec du dioxyde d'uranium selon le procédé MIMAS [6] pour former le MOX. Le combustible MOX peut aussi être fabriqué à partir du plutonium militaire déclaré en excès par l'application des traités de désarmement START.[réf. nécessaire] Une usine de ce type de MOX est en construction aux USA et une autre en Russie[réf. nécessaire].

Un intérêt du MOX réside dans la possibilité d'utiliser de l'uranium naturel, voire de l'uranium appauvri, en place du traditionnel uranium enrichi. L'uranium appauvri étant un déchet de la production de l'uranium enrichi ou le résidu des barres de combustible usagé, il est possible de fabriquer du nouveau combustible nucléaire sans nouvel apport en uranium naturel, donc uniquement à partir de déchets de l'industrie nucléaire.

Criticité[modifier | modifier le code]

Pour améliorer la sécurité des réacteurs à neutrons rapides alimentés en MOX et la gestion de leurs déchets radioactifs, les calculs de criticité ont récemment été refaits[7] ou précisés[7] à l'aide des « bibliothèques de données nucléaires » aujourd'hui disponibles pour les 10 types de MOX mis sur le marché (bases de données de l'OCDE JEFF-3.1, JEFF-3.1.1 et 3.3[8] et de la JAEA, JENDL-ENDF/B-VII.0[9]).

Comportement dans le réacteur[modifier | modifier le code]

C'est le plutonium fissile qui donne au combustible MOX sa réactivité nucléaire initiale ; par la suite, l'uranium 238 présent dans le mélange est progressivement transformé en plutonium et remplace en partie le plutonium consommé. De ce fait, il n'y a pas besoin d'enrichir l'uranium.

Le plutonium est beaucoup plus radioactif que l'uranium et avant utilisation, les pastilles de MOX sont plusieurs milliers de fois plus radioactives que celles d'uranium[10].

Depuis 2010, on dispose de calculs systématiques de modélisation de la composition isotopique du combustible MOX introduit dans les REP et REB évolue durant l'irradiation dans le réacteur selon d'une part la composition initiale en plutonium et selon d'autre part le contenu du réacteur et le taux de combustion de ce « combustible »[5].

Utilisation[modifier | modifier le code]

En 2011, la majeure partie des réacteurs utilisant le MOX ont été initialement conçus pour ne brûler que de l'uranium. Seul un petit nombre de ces réacteurs peuvent actuellement utiliser ce combustible, et en quantité limitée. Aucune centrale dans le monde n'utilise actuellement plus de 30 à 50 % de combustible MOX, le reste du combustible étant de l'uranium enrichi[11]).

Par rapport à un combustible classique, du fait de la présence de plutonium fissile dans le combustible, un nombre de fissions plus important est provoqué par les neutrons rapides, avant qu'ils ne soient ralentis. La conséquence en est que les moyens de contrôle de la réactivité, qui agissent principalement sur les neutrons lents, sont moins efficaces ; il faut alors les renforcer[12]. Par ailleurs, les réacteurs « moxés » se caractérisent par une diminution des contre-réactions de vide[12]. En outre, un nombre plus réduit de neutrons retardés étant émis après une fission, le combustible est plus sensible à des variations rapides de réactivité[12].

Une fois effectués ces changements d'équipement et de modes de conduite, le réacteur présente des caractéristiques intéressantes pour l'exploitation, comme une perte de réactivité moindre qu'avec le combustible classique[12].

Certaines centrales ont été conçues pour fonctionner avec 100 % de MOX : le réacteur pressurisé européen (EPR) à la centrale nucléaire de Flamanville, en France, ou bien la centrale nucléaire de Palo Verde, aux États-Unis. L'EPR moxé permettrait une consommation nette de plutonium, avec toutefois comme conséquence un accroissement des quantités produites d'actinides mineurs (américium, neptunium et curium). En première approximation, on peut considérer qu'une tranche EPR moxé à 100 % serait susceptible de consommer environ 3 tonnes de plutonium par an[12].

Utilisation en France[modifier | modifier le code]

Entre son démarrage en 1995, et 2012, l'usine Mélox du groupe Areva a produit plus de 1 500 tonnes de MOX pour EDF[13].

Sur l'ensemble du parc français, EDF utilise le mélange MOX depuis les années 1990. En 2013, sur les 58 réacteurs nucléaires en exploitation, 22 utilisent ce combustible et 24 sont autorisés à l'utiliser[14]. Il s'agit des réacteurs nucléaires à eau pressurisée (REP, ou PWR en anglais) d'une puissance de 900 MW suivants :

Centrale nucléaire nb de réacteurs
utilisant du Mox
Année d'autorisation
Saint-Laurent-des-Eaux 2 StL B1 en 1987, StL B2 en 1988[15]
Gravelines 6 Gra B3 et B4 en 1989, Gra B1 en 1997, Gra B2 en 1998[15]
Dampierre 4 Dam 1 en 1990, Dam 2 en 1993, Dam 3 en 1998[15]
Blayais 2 Bla 2 en 1994, Bla 1 en 1997[15]Bla 3 et Bla 4 en 2013[16],[17].
Tricastin 4 Tri 2 et 3 en 1996 - Tri 1 et 4 en 1997[15]
Chinon 4 Chi B1, B2, B3 et B4 en 1998[18].

Utilisation au Japon[modifier | modifier le code]

Une dizaine de compagnies électriques japonaises gérant des centrales atomiques avaient des projets d'utilisation de MOX, devant débuter à partir de mars 2011 pour la plupart. La compagnie française Areva a signé des contrats avec 8 électriciens japonais[19]:

  • avec Tepco en 1995,
  • avec Chubu, Kyushu et Shikoku en 2006,
  • avec Kansai en 2008,
  • avec EPDC et Chugoku en 2009,
  • avec Hokkaido en 2010.

En décembre 2009, Kyushu Electric Power Company a introduit du combustible MOX dans la 3e tranche de la centrale nucléaire de Genkai[20]. En 2010, les électriciens Shikoku, Kansai et Tepco ont chargé certains de leurs réacteurs en MOX[21].

L'exploitant japonais TEPCO a utilisé, à partir de février 2011, du combustible MOX dans le 3e réacteur de la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi, utilisation qui a duré fort peu de temps en raison des accidents nucléaires entraînés par le tsunami du 11 mars 2011 et les pannes consécutives sur les systèmes de refroidissement de la centrale[22].

Deux réacteurs utiliseraient actuellement du MOX au Japon[23].

Utilisation en Suisse[modifier | modifier le code]

Trois réacteurs sur 2 sites consomment du MOX en Suisse :

MOX usagé[modifier | modifier le code]

En « fin de vie », le Mox usagé est stocké en piscine de désactivation puis traité comme déchet nucléaire[24].

Ses deux principaux composants (UO2 et plutonium), qui ont déjà été transformés dans le réacteur ont des propriétés chimiques et mécaniques qui continueront à évoluer durant le stockage longue durée qu'ils nécessitent[24].

En tant que déchet, le MOX dégage plus de radioactivité, produits plus de radioisotopes différents[5] et de chaleur et sa conductivité thermique se dégrade (avec une relation non linéaire) au fur et à mesure de son temps de "combustion" dans le réacteur[25] que le combustible classique : le refroidissement du MOX usagé prend environ 10 fois plus de temps (50 ans au lieu de 5 à 8 ans), ce qui demande des installations de refroidissement plus grandes[26]. Si l'on voulait enfouir ces combustibles usés, la durée du refroidissement nécessaire serait de 60 à 100 ans[27]. Le stockage définitif est généralement prévu en dépôt souterrain profond[24].

La stabilité physique et thermique du Mox, ainsi que sa production de radionucléides évolueront plus ou moins lentement, ainsi que les dégâts d'irradiation et de microstructure notamment liés à son taux de combustion[25], et à son degré de corrosion et à un éventuel futur contact avec de l'eau souterraine dans un dépôt définitif[24].

Le MOX usagé pourrait théoriquement être encore retraité, mais il contient des traces significatives d'isotopes divers qui inhibent l'activité de la fission (la réactivité nucléaire du matériau).

  • La qualité du plutonium se dégrade pendant l'utilisation du combustible MOX : dans un réacteur nucléaire à neutrons lents, le plutonium 239 présent initialement et dans des proportions massives, isotope fissile, se transforme en partie (quand il ne fissionne pas) en Plutonium 240, puis (par une capture neutronique supplémentaire) en Plutonium 241, qui se transforme assez rapidement en américium 241, nucléide à la fois neutrophage et fortement irradiant.
  • Par la suite, du fait de la présence initiale de plutonium, qui (par capture neutronique en réacteur) génère des actinides mineurs, les assemblages de MOX irradiés contiennent plus de deux fois plus d'actinides mineurs que les assemblages classiques. Les proportions des américium-241 et 242 sont notamment multipliées par 4, et celle du curium-244 par près de 10.

Pour ces raisons le retraitement nucléaire et stockage de ce combustible sont nettement plus problématiques que ceux de combustibles issus d'uranium. C'est pourquoi il n'est actuellement pas envisagé de retraiter de nouveau le MOX usagé[28].

Le plutonium ayant été concentré dans le combustible MOX, le volume de stockage des déchets HAVL issus du combustible MOX est réduit d'un facteur 8 environ par rapport à un cycle ouvert (un assemblage MOX concentre le plutonium de 7 assemblages UO2 retraités et en économise 1 supplémentaire)[29].

Le projet de réacteur à neutrons rapides lancé en 2010 et dénommé ASTRID vise à multirecycler le plutonium - même de qualité dégradée. C'est pourquoi il pourrait permettre d'envisager de réemployer une partie du combustible MOX usé[30].

Points de vue sur la filière MOX[modifier | modifier le code]

Avantages[modifier | modifier le code]

Selon le CEA[31], le MOX permet d'économiser de l’uranium enrichi et de réduire la quantité de plutonium parmi les déchets ultimes. L'uranium enrichi à 4 % est remplacé par un mélange contenant 8 % de plutonium et 92 % d'uranium appauvri, qui produit en fin de vie un mélange comprenant 4 % de plutonium, ce qui entraîne donc une diminution nette du stock de plutonium.

De plus les déchets contenant du plutonium seraient moins volumineux[29].

Une porte d'entrée vers la filière Thorium[modifier | modifier le code]

Il est possible d'utiliser des techniques de fabrication proche de celles employées pour le MOX pour convertir du thorium en uranium 233. La matrice d'uranium appauvri serait remplacée par une matrice de thorium, le combustible permettrait alors une meilleure utilisation du plutonium (20 % au lieu de 15 %)[32] [33] et de produire de l'uranium 233 ouvrant la voie à un Cycle du combustible nucléaire au thorium 1000 fois moins polluant. Une dizaine de réacteurs classiques équipés en « TOX » pourraient produire assez d'uranium 233 pour démarrer un réacteur nucléaire à sels fondus ; en équipant la totalité du parc, il serait possible de basculer toute la filière électro-nucléaire en une à deux décennies.

Inconvénients[modifier | modifier le code]

Le combustible MOX est beaucoup plus radioactif et radiotoxique que le combustible à base d'uranium enrichi, de l'ordre de dix à cent mille fois plus. De ce fait, la fabrication du combustible MOX, son transport à travers le monde et son utilisation dans un réacteur nucléaire nécessitent des précautions particulières en termes de radioprotection des travailleurs[34] et des populations des territoires traversés.

Du fait de la présence d'une plus grande quantité d'actinides à vie moyenne de masse supérieure à 240, pour un même taux de combustion, la puissance résiduelle d'un assemblage MOX est :

  • du même ordre que celle d'un assemblage UO2 durant les premières heures post arrêt
  • plus élevée d'une quinzaine de % à une journée post arrêt
  • plus élevée d'une quarantaine de % à une semaine post arrêt.

De plus, le caractère potentiellement proliférant de son contenu en plutonium impose des précautions supplémentaires en termes de sécurité nucléaire[35],[36]. Cependant, certaines ONG telles que Greenpeace affirment que le développement du commerce international du combustible MOX et du retraitement nucléaire associé pourrait accroître (plutôt que réduire) le risque de prolifération nucléaire[37].

D'un point de vue économique le retraitement des combustibles irradiés serait plus coûteux que son stockage[38]. Les emplois de la filière ne seraient pas menacés par l'arrêt du MOX car il y a un énorme travail sur le stockage et la gestion des déchets radioactifs ainsi que la mise au point des techniques de démantèlement des centrales et des usines nucléaires[38].

Risques d'accident[modifier | modifier le code]

Les différences de comportement entre le plutonium et l’uranium peuvent atteindre la sûreté des réacteurs nucléaires moxés. En effet, les propriétés physiques du MOX affectent les performances thermiques et mécaniques des assemblages combustibles. En particulier, le MOX entre en fusion beaucoup plus rapidement que l’uranium enrichi, car son point de fusion est plus faible[39].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. T. Abe, K. Asakura (Japan Atomic Energy Agency, Tokai-mura), Voir Chap. 2.15 – Uranium Oxide and MOX Production, in Comprehensive Nuclear Materials 2012 ; , Pages 393–422 Volume 2 : Material Properties/Oxide Fuels for Light Water Reactors and Fast Neutron Reactors ; DOI http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-08-056033-5.00036-7 (résumé)
  2. AFP - 04 août 2011 : Nucléaire : une usine de fabrication du combustible MOX ferme en Angleterre
  3. AREVA : Melox
  4. IEER - Energie et sécurité 02/1998 : L'utilisation du plutonium militaire comme combustible de réacteur
  5. a, b et c Fehér, T. Reiss, A. Wirth (2010), MOX fuel effects on the isotope inventory in LWRs; Nuclear Engineering and Design, Volume 252, November 2012, Pages 201-208 S. (résumé)
  6. « Procédé MIMAS » (consulté le 17 mars 2011)
  7. a et b J.L. Rowlands, Accuracy of criticality calculations made using current nuclear data libraries for MOX fuelled fast critical assemblies ; Annals of Nuclear Energy Volume 37, Issue 12, December 2010, Pages 1666–1673 ; DOI : http://dx.doi.org/10.1016/j.anucene.2010.07.016,
  8. Bases de données de l'OECD Nuclear Energy Agency et accès aux bases de données OCDE JEFF3.1.1
  9. JENDL-ENDF/B-VII.0 ; Agence japonaise de l'énergie atomique
  10. Le plutonium utilisé a une demi-vie de l'ordre de dix à cent mille ans (10^4), alors que l'uranium a une demi-vie de l'ordre du milliard d'années (10^9) : de ce fait, le plutonium est dix à cent mille fois plus radioactif que l'uranium (10^5), et le MOx (qui contient de l'ordre de 10 % de plutonium) est de mille à dix mille fois plus radioactif. Le chiffre exact dépend de l'enrichissement de l'uranium et de la composition isotopique du plutonium.
  11. « MOX program in USA »,‎ 2009 (consulté le 17 mars 2011)
  12. a, b, c, d et e L'aval du cycle nucléaire, Christian Bataille et Robert Galley, Rapport de l'Office Parlementaire d'Evaluation des Choix Scientifiques et Technologiques No 612 (1997 / 1998)
  13. Rapport d'information sur la sûreté nucléaire et la radioprotection de Melox, Edition 2013, page 9.
  14. « Le combustible MOX », sur le site de l'Autorité de sûreté nucléaire,‎ 28 février 2014 (consulté le 10 décembre 2014)
  15. a, b, c, d et e « EDF soucieuse d'obtenir l'autorisation de moxer 28 tranches », sur le site du sénat,‎ 1997 (consulté le 10 décembre 2014)
  16. Le Monde et AFP, « Le MOX autorisé dans deux nouveaux réacteurs de la centrale de Blayais », sur http://www.lemonde.fr/,‎ 41424 (consulté le 10 décembre 2014)
  17. Décret du 28 mai 2013 modifiant le décret du 5 février 1980 autorisant la création par Electricité de France de deux tranches de la centrale nucléaire du Blayais, dans le département de la Gironde, et autorisant Electricité de France à utiliser du combustible contenant du plutonium dans l’INB no 110.
  18. Décret du 21 juillet 1998 autorisant Electricité de France à introduire du combustible MOX dans les réacteurs B 1 et B 2 de la centrale nucléaire de Chinon, dans le département d'Indre-et-Loire, et modifiant le décret du 4 décembre 1979 autorisant la création des réacteurs B 1 et B 2 de la centrale nucléaire de Chinon.
  19. Article sur ABC Bourse, le 29/03/2010
  20. Dépêche Reuters contenant la liste des projets japonais d'utilisation du MOX
  21. Dates Clés Melox, site Areva
  22. Le Parisien, 14/03/2011 : Centrale de Fukushima: le combustible MOX fourni par Areva "sans incidence"
  23. L'inquiétude de Melox, fournisseur de la centrale nucléaire japonaise, Midi Libre, 12/03/2011.
  24. a, b, c et d P. Carbol, D.H. Wegen, T. Wiss(2012), voir Chap 5.16 – Spent Fuel as Waste Material in Comprehensive Nuclear Materials 2012, Pages 389–420 Volume 5: Material Performance and Corrosion/Waste Materials  ; http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-08-056033-5.00106-3 (résumé)
  25. a et b D. Staicu, 2.17 - Thermal Properties of Irradiated UO2 and MOX Comprehensive Nuclear Materials, Volume 2, 2012, Pages 439-464 (résumé)
  26. http://www.laradioactivite.com/fr/site/pages/laradioactivitedumox.htm
  27. Quelles énergies pour demain? Par Robert Dautray, Editions Odile Jacob
  28. laradioactivite.com : la radioactivité du MOX
  29. a et b Louis Patarin Le cycle du combustible nucléaire EDP Sciences 2002. p. 174
  30. defis.cea.fr/defis/152/CEA%20152_p06-10.pdf
  31. Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives, Énergie nucléaire : le parc actuel, daté de novembre 2005, consulté le 21 novembre 2011.
  32. http://cpdp.debatpublic.fr/cpdp-dechets-radioactifs/docs/pdf/cahiers-d-acteurs/sfpdefweb.pdf
  33. http://www.sfpnet.fr/fichiers_communs/commissions/Culture_scientifique/fichiers/152_DAVID.pdf
  34. Autorité de Sureté Nucléaire française (ASN) - 31/10/2011 : Le combustible MOX
  35. Is U.S. Reprocessing Worth The Risk?
  36. Plutonium proliferation and MOX fuel
  37. www.greenpeace.fr/stop-plutonium/dossiers/MOX_proliferation.pdf
  38. a et b Bernard Laponche - Le Journal du Dimanche - 20/11/2011 : Il n’y a aucun intérêt à conserver le MOX
  39. “The Importance of MOX Fuel Quality Control in Boiling-Water Reactors”, Dr Edwin S. Lyman, Scientific Director, Nuclear Control Institute, Washington DC, December 14th [

Annexes[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]