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Fission et fusion nucléaires
Les déchets nucléaires (IV) Toute réaction nucléaire produit un certain pourcentage de déchets, des éléments issus de la réaction de fission qu'on ne peut recycler, qui sont inutilisables et dont on ne peut pas se débarrasser du fait de leur radioactivité. Ces déchets nucléaires proviennent des centrales atomiques, des hôpitaux et des laboratoires, qu'ils soient civils ou militaires. La majorité des déchets proviennent des centrales nucléaires. Une fois utilisé le combustible fissile disparaît presque en totalité au profit de ses produits de fission et le réacteur devient moins réactif. Le combustible contient encore 94 à 96% d'uranium-238, 3 à 5% de produits de fission, 1% de plutonium et 0.1% d'actinides mineurs, des radioéléments entre les N° atomiques 89 (actinium) et 103 (lawrencium). Afin que la centrale puisse continuer à produire de l'électricité, on retire donc périodiquement les barres de combustible usées qui empêchent la réaction nucléaire comme on nettoye un aquarium de ses déchets. Ainsi, en Belgique, on recharge les centrales avec 120 tonnes d'uranium annuellement. Comme les barres de combustible usées (uranium, MOX, etc), précisons que l'uranium appauvri et quelques autres produits ne sont pas considérés comme des déchets nucléaires mais comme des matières valorisables car elles sont recyclables. Le recyclage des combustibles usés Le combustible nucléaire usé dont l'uranium, le plutonium et le MOX (oxyde de plutonium et oxyde d'uranium) sont retraités à l'usine d'Areva à La Hague en France, de Dessel en Belgique ainsi qu'aux Etats-Unis, au Japon et en Russie. Tous les centres de retraitement peuvent s'ils le désirent travailler pour les pays étrangers. C'est ainsi que La Hague recycle les déchets nucléaires venant d'Allemage, de Suisse, etc. La Hague y est parfois obligée du fait que certains pays ne disposent pas d'usine de retraitement alors qu'ils sont nucléarisés. C'est notamment le cas de la Suède. Leur gouvernement considère les combustibles usés comme des déchets de production et sont stockés en lieu sûr ad vitam aeternam ou presque. La Belgique ne retraite pas tout son combustible non plus et la plupart des centrales le stockent sur place. La Belgique étant membre de l'OTAN, elle retraite occasionnellement le combustible usé américain. Les Etats-Unis disposant de 65 centrales nucléaires sans parler des laboratories de recherches militaires et civils exploitant des substances radioactives solides et liquides, l'immense usine de Hanford située dans l'état de Washington dont les installations s'étendent sur 942 km2 joue le rôle de Mr.Propre en retraitant toutes les matières contaminées et stockant les déchets venant de tous ses territoires et possessions. Elle produit également du combustible nucléaire.
Comment s'effectue le recyclage ? Les déchets nucléaires arrivent à La Hague par exemple dans des fûts de 220 litres et sont immédiatement placés dans l'une des 4 piscines en attendant leur traitement. Les fûts y sont maintenus durant 3 ans afin de dissiper leur chaleur et réduire leur taux de radioactivité quand il s'agit de déchets de courte vie (< 30 ans). Ils sont ensuite retirés et fragmentés. Les fragments sont ensuite plongés dans une solution chimique qui va dissoudre le combustible tout en laissant les métaux lourds intacts. Ces derniers sont extraits et stockés comme déchets nucléaires. La solution de combustible restante est ensuite traitée chimiquement afin de séparer l'uranium et le plutonium des produits de fission. Ces derniers sont ensuite extraits et stockés. Enfin, l’uranium et le plutonium sont séparés et conditionnés séparément. Ils représentent 96% de la quantité de matière d'origine puis sont renvoyés à l'exploitant. Le combustible recyclé étant encore légèrement enrichi par rapport à l’uranium naturel (environ 1% d’uranium-235), il est à nouveau enrichi à plus de 3% et le cycle recommence. Le retraitement des déchets civils ne suit pas les mêmes filières que les déchets militaires. En effet, la technologie de retraitement du plutonium militaire par exemple dont le MOX est plus délicate et plus dangereuse car elle peut générer plus de déchets. Vu les bénéfices qu'un retraitement peut apporter sur le plan environnemental, c'est un savoir-faire qui n'est pas assez partagé avec les autres pays. Le stockage des déchets nucléaires Pendant des années, les déchets radioactifs ont été conditionnés dans des fûts de quelques dizaines de litres, généralement 37.8 litres (10 gallons) en métal remplis de pochettes contenant du béton et jetés en mer ou stockés dans des entrepôts sous contrôle. Mais ces fûts s'altéraient au fil du temps et pouvaient rouiller et contaminer l'eau. Pour y remédier les chercheurs ont essayé de réduire leur volume et leur capacité de corrosion. Aujourd'hui, les déchets nucléaires sont vitrifiés ce qui permet de "geler" la structure cristalline de la matière dans un réseau amorphe et totalement inerte. Cette opération permet de réduire de 7 fois le nombre de fûts ou de containers comparée à l'ancienne méthode tandis que la vitrification est garantie inaltérable durant au moins 10000 ans.
Ces fûts de matière vitrifiée sont ensuite stockés en différents lieux et pour une durée qui varie en fonction de leur activité. Les déchets de très faible et faible activités sont placés dans des fûts de 400 litres ou des "surepac" monolithiques en carbone-acier mais le container se corrode en quelques années et l'opération doit être renouvelée. L'autre solution consiste à les enfouir dans un container en béton renforcé enrobé de polyéthylène à haute densité ou de métaux recouverts d'un polymère. La grandeur individuelle des containers est très variable et oscille entre 5 et 220 litres. Leur durée de vie est supérieure à 300 ans. Pour les déchets de haute activité, les substances sont distribuées dans des petits fûts de quelque 5 à 20 litres chacun. Chaque fût est lui-même enfermé dans un container métallique enveloppé dans un second container (overpack) qui est revêtu de céramique et d'une protection anti-suitement. Ce container peut mesurer jusqu'à 2.20 m de hauteur et contenir deux ou trois étagères contenant chacune une dizaine de petits containers séparés par un isolant. Ce fût qui pèse plusieurs centaines de kilos est ensuite acheminé au fond d'une galerie souterraine où il est déposé sur un support et recouvert de remblai. Le plutonium
Le plutonium, tel l'échantillon présenté à droite (le lien vous conduit vers ses propriétés, en anglais) est un métal lourd au sens propre (densité de 19.8 contre 4.5 pour le titane qui lui ressemble), blanc métallisé, chimiquement actif et fissile fabriqué artificiellement. Il n'existe pratiquement pas dans la nature sauf dans le "réacteur naturel" de la mine d'Oklo au Gabon et en très faibles quantités. Le plutonium fait partie des produits de fission qu'on obtient en bombardant de l'uranium avec des neutrons. Il existe en fait 19 isotopes dont le plus connu est le plutonium-239. Au cours de la réaction de fission, l’uranium-238 capture un neutron et se transforme en uranium-239. Instable, l’uranium-239 se transforme en neptunium-239 puis en plutonium-239. Ensuite, tous les deux jours, la moitié du neptunium-239 se transforme en plutonium-239. Le plutonium existe sous forme séparée et non irradiée ou sous forme irradiée, contenu dans du combustible irradié. Le combustible irradié déchargé des centrales nucléaires contient environ 1% de plutonium. Ce déchet radioactif est recyclable. Il peut par exemple être utilisé pour produire des piles à combustible (pour les missions spatiales) ou du MOX, un nouveau combustible à base de 4 à 7% de plutonium qui alimente des dizaines de centrales à eau légère (eau normale) sous pression. Selon le CEA, la France produit 8 à 9 tonnes de plutonium chaque année sous forme d'O2Pu pour la fabrication d'assemblages à base de MOX. Précisons que 1 gramme de plutonium recyclé représente une valeur énergétique de 1 à 2 tonnes de pétrole. On peut également recycler le plutonium à des fins militaires, notamment pour concevoir des bombes, des armes radiologiques ou des poisons. On y reviendra. L'industrie civile a produit plus de plutonium que l'ensemble des programmes militaires ! Environ 30% de ce plutonium a été utilisé comme combustible nucléaire. Au total, selon le NCI, en 1998 les civils détenaient 195 tonnes de plutonium de plus que les militaires comme le précise le graphique présenté ci-dessous ventilant les différents stocks civils.
La question est d'importance car bien que le plutonium soit produit en faible quantité, selon l'AIEA il suffit d'acheter ou de voler 8 kg de plutonium pour fabriquer une bombe équivalente à celle de Nagaski ! 35 kg d'uranium permettent de construire une bombe A. Le plutonium est relativement facile à obtenir car ce n'est même pas un produit très cher (4.80$/mg), mais comme tout produit à vocation militaire il faut évidemment obtenir une autorisation gouvernementale pour pouvoir l'acheter, par exemple de l'ORNL. Et ne vous fiez pas aux publicités d'Internet... Même si le plutonium d'origine civile contient moins de 70% de matières fissiles, une quantité en principe insuffisante pour produire une explosion nucléaire (il faut plus de 90% de Pu-239), selon la Belgonucléaire, en théorie il est parfaitement possible de construire une bombe atomique à partir de plutonium civil, même si cette société minimise le risque. Il fut une époque où les journalistes prétendaient que le plutonium était la substance la plus toxique que l'homme avait inventée. S'il est vrai qu'il est toxique, les médias ont largement amplifié la rumeur. Jusqu'aujourd'hui (2006), mis à part les accidents de criticité (excursion de sur-coups de puissance accidentels à Los Alamos, Tokai-Mura, Tchernobyl, etc) on n'a relevé qu'un seul cas mortel d'exposition au rayonnement du plutonium. Voici un article rédigé en anglais qui rétablit la vérité sur la toxicité du plutonium. Dans ce cas-ci on peut parler d'intox... En fait, le radium est 200 fois plus toxique que le plutonium et certaines substances organiques telle la toxine botulique (le fameux Botox utilisé en médecine pour paralyser les muscles) sont encore plus toxiques ainsi que je l'explique sommairement dans cette page. De plus, les rayonnements bêta et gamma émis par de nombreux isotopes (C-14, K-40, etc.) que l'on trouve beaucoup plus facilement dans l'environnement et même dans la nourriture peuvent provoquer des cancers par contact accidentel, alors qu'un émetteur alpha comme le plutonium ne le permet pas. Le corps de nombreuses personnes contient de faibles concentrations de plutonium et vivent a posteriori très bien ainsi. Au contact de la bouche, le plutonium est moins toxique (à l'exception du risque de cancer) que des substances aussi courantes que la caféine, l'acétaminophène, certaines vitamines, la pseudoéphédrine et de nombreuses plantes et champignons vénéneux que nous avons dans nos habitations (euphorbe, rose de Noël, muguet, etc.). D'un point de vue purement chimique, le plutonium est aussi toxique que le plomb ou les autres métaux lourds. Cela dit, il ne fait aucun doute que si on ne le manipule pas avec des équipements spéciaux et en prenant beaucoup de précautions, le plutonium reste très dangereux.
Pour certains écologistes, le traitement du plutonium n'est pas nécessaire et ils préfèreraient l'entreposer dans des décharges nucléaires spécialisées en attendant de pouvoir éventuellement le réutiliser de manière plus efficace dans de nouveaux types de réacteurs. Le CEA a toutefois démontré que cette solution requiert assez bien de maintenance et n'est pas rentable. Si en théorie une explosion nucléaire consomme tout son combustible, même au cours de l'explosion d'une bombe au plutonium, il en reste des traces (~1%), la meilleure preuve sont les puits enfouis dans les atolls de Mururoa et Fangataufa en Polynésie qui ont servi aux explosions souterraines françaises et qui en contiennent encore quelques kilos (par sécurité les têtes de puits sont aujourd'hui quasiments toutes scellées). Ce combustible nucléaire est particulièrement inquiétant car il produit énormément d'énergie et ses isotopes ont une période ou demi-vie très longue : 24110 ans pour le Pu-239. En pratique, il faut 10 fois cette durée pour que ce radioisotope devienne 1000 fois moins radiotoxique, nous parlons donc d'une contamination qui durera plus de... 241000 ans ! Mais les écologistes comme les scientifiques ont d'autres bonnes raisons de s'inquiéter de la manière dont on gère les déchets nucléaires. Gestion et risques associés aux déchets nucléaires Contrairement aux combustibles nucléaires usés, un déchet nucléaire au sens propre est inexploitable, d'où son nom. Mais non seulement il est inutilisable mais il est indésirable du fait de sa radioactivité. Comme le diraient sans doute avec clairvoyance les écologistes, c'est une invention dont on se serait bien passé ! Les déchets nucléaires sont classés selon leur période (très courte, courte et longue vie, c'est-à-dire supérieure à 30 ans) et leur niveau d'activité (très faible, faible, moyenne, haute).
Quand on parle de "haute activité" cela signifie hautement radioactif et ce n'est pas un qualificatif insignifiant. Un tel déchet n'émet pas que quelques crépitements sur un compteur Geiger mais un flux continu et très intense de rayonnements provoquant l'équivalent d'un "dépassement de capacité" des instruments car ses émissions alpha, bêta, gamma saturent le détecteur instantanément ! Les déchets hautement radioactifs sont en majorité issus de l'activité des centrales nucléaires. Ainsi que le montre le tableau précédent, ils ne représentent que 0.2% du volume des déchets radiotoxiques mais ils contribuent à 91.68% de la radioactivité totale ! Selon l'ANDRA, en 2004 ils représentaient 1851 m3 soit quelques dizaines de millions de tonnes rien que pour la France. Pour la Belgique, selon l'ONDRAF, le volume de déchets radioactifs existants inventoriés s'élève à environ 21000 m3. Il faut y ajouter 92000 sources scellées et détecteurs de fumée ionisants et 2400 tonnes de combustibles irradiés (uranium et plutonium) entreposés dans les centrales nucléaires. L'ensemble des déchets radioactifs produits représentent environ 0.02% de la production de déchets ménagers plus déchets industriels (sans parler du gaz carbonique). Sachant que 7 centrales produisent environ 55% de l'électricité du pays, un Belge produit tout au long de sa vie 0.12 litres (120 cm3) de déchets radioactifs de haute activité. Au final, ce petit cube de métal paraît dérisoire et inoffensif et les pronucléaires n'hésitent pas à souligner l'insignifiance de son volume pour s'attirer les bonnes grâces du public. Que voilà un beau mensonge par omission ! Ce qu'EDF ou plutôt ENGIE (Electrabel-GDF-Suez) a oublié de dire c'est que ce "petit cube" de déchets nucléaires pèse déjà 2.3 kg (il est constitué de métaux "lourds" au sens propre) et présente une radioactivité exceptionnellement élevée : la radioactivité des déchets de moyenne et haute activité à longue vie (> 30 ans) est supérieure à 1 million de Becquerel par gramme ! Nous en stockons "des tonnes" ! Pour la Belgique, le coût total de la gestion des substances radioactives a été estimé à 5.6 milliards d'euros. Il inclut notamment leur mise en sureté, le coût de démantèlement éventuel des centrales, la maintenance, le conditionnement, l'entreposage, etc.
Les déchets nucléaires contenus dans un fût à longue vie et de haute activité présentent donc une radioactivité très importante qu'ils continueront d'émettre durant des dizaines de milliers d'années ! On comprend mieux que les exploitants prennent des précautions pour les manipuler et s'inquiètent à juste titre de toute fuite éventuelle et assurent leur surveillance dans des sites de haute sécurité. Un radioélément faiblement actif mais de longue vie tel le graphite qui est utilisé dans les centrales à uranium naturel-graphite gaz reste dangereux. C'est pourquoi les milliers de tonnes dont nous disposons aujourd'hui doivent être stockées en lieu sûr pour ne pas contaminer l'environnement ou se retrouver un jour entre les mains de terroristes. Il y a ensuite tous les radioisotopes plus ou moins radiotoxiques qui peuvent un jour être "perdus" ou "détournés" de leur but. Nous pouvons par exemple citer des dizaines d'incidents et d'accidents civils, notamment des accidents d'avion qui ont précipité la dissémination d'uranium appauvri dans l'environnement.et contaminé des pompiers (Corée, USA) ou le vol de radioisotopes ou de déchets nucléaires dans des installation médicales ou des centrales en cours de démantèlement (Russie) sans parler des quelques accidents militaires du temps de la Guerre Froide au cours desquels quelques bombardiers du SAC ont "perdu" leurs bombes atomiques... C'est l'une des raisons pour lesquelles les autorités civiles sont parfois rétissantes à accepter le recyclage de déchets amenés par avion (par ex. des Etats-Unis vers la Belgique) car un transport sur de longues distances et notamment par air ajoute des risques difficilement gérables (risque d'accident ou de détournement terroriste). Enfin, il faut ajouter à cet inventaire des sites contenant des substances radioactives dont l'exploitation n'est pas soumise à autorisation nucléaire. Selon l'AFCN il existe en Belgique des dizaines de sites contenant plusieurs centaines de milliers de mètres cubes de substances radioactives de très faible activité (tissus contaminés, containers, seringues, etc). Ces sites doivent être assainis. Il s'agit de compétences fédérale pour la partie nucléaire et régionale pour la partie non nucléaire. Le tableau suivant reprend les périodes et l'élément stable résultant de la décroissance de quelques radionucléides commmuns. L'élément stable peut être le résultat de très nombreuses désintégrations intermédiaires dont vous trouverez le détail en anglais dans ce tableau périodique. Toutes ces réactions sont associées à des émissions de rayonnements α ou β : A consulter : The Lund/LBNL Nuclear Database Table des isotopes radioactifs et des isotopes
Rappelons que les éléments transuraniens (au-delà de l'uranium naturel) ont été créés artificiellement en bombardant notamment des noyaux d'uranium avec des neutrons. L'instabilité du noyau provoque la transformation d'un neutron en proton avec émission de rayonnement β. La masse du noyau reste la même, mais il contient un proton supplémentaire : l'atome d'uranium de N° atomique Z=92 s'est transmuté en neptunium-93. En ajoutant d'autres neutrons on peut ainsi créer de nouveaux éléments, encore plus lourds et plus ou moins instables jusqu'au fermium-100. Au-delà du fermium il faut bombarder d'autres éléments comme l'einsteinium-99 avec des particules alpha ou le californium-249 avec du carbone-12 ou 13. L'enfouissement des déchets de haute activité Cette radioactivité à longue période résume tout le problème des déchets nucléaires. Actuellement on ne peut écarter ce risque de contamination qu'en enfouissant les déchets de haute activité profondément sous terre et loin des populations et en prenant énormément de précautions. A lire : Into Eternity : la gestion des déchets radioactifs d'Onkalo (sur le blog, 2014)
Ainsi qu'on le constate dans le tableau ci-dessus, sept pays ont prévu d'enfouir leurs déchets radioactifs de haute activité sur leur territoire mais les avants-projets, les études d'incidences, la conception, les procédures d'approbation et la construction durent parfois plusieurs décennies avant que le site ne puisse être exploité. Notons que malgré le fait que la France, la Belgique et les Etats-Unis aient une longue expérience des déchets nucléaires, aucun d'eux n'a encore installé de site adapté à la gestion de ses déchets de haute activité. La France est même en retard de 5 ans sur son planning du fait de l'opposition de la population à ce projet. Il est vrai que ce genre d'installation s'étend sur 1500 ha, soit 15 km2 ! Mais ce n'est pas en s'opposant à un problème qu'elle pourra le résoudre. En général, étant donné leur niveau de toxicité, ces déchets sont enfouis à plusieurs centaines de mètres sous terre dans d'immenses galeries creusées dans des roches très stables, très denses ou imperméables, tel que le granit, le tuff volcanique ou encore entre deux couches d'argile. A défaut, il faut bien utiliser ce dont on dispose comme des roches sédimentaires. C'est tout au fond de ces galeries que les containers seront entreposés d'ici quelques années en attendant que leur radioactivité diminue jusqu'à des niveaux inoffensifs. Ils seront périodiquement inspectés et on estime que la vitrification rendra les containers littéralement inertes et amorphes durant plus de 10000 ans. Ensuite ? Il va sans dire que le DOE comme tous les Etats nucléarisés ne s'en préoccupent pas et reportent le problème sur les générations futures.
Cet enfouissement est un mal nécessaire. C'est une situation plus que scandaleuse mais nous n'avons actuellement pas d'autre solution, même si nous arrêtons tout de suite les centrales nucléaires. On pourrait bien sûr envisager d'envoyer des trains de fusées-cargo vers le Soleil puisqu'il est capable de réduire en fumée n'importe quelle matière, mais ce genre de mission comporte n'énormes risques au décollage et même en cours de route. Et puis cela reviendrait entre 500 millions et un milliard de dollars par mission et il en faudrait des milliers pour nous débarrasser de tout notre stock de déchets nucléaires. Ce n'est donc pas rentable ni même supportable financièrement. Un jour viendra peut-être où nos descendants trouveront le moyen de se débarrasser de ces encombrants déchets. Sinon, ils resteront enterrés. En exploitant l'énergie nucléaire, à travers ces déchets qui se chiffrent en centaines de milliers de tonnes nous faisons un cadeau empoisonné à nos petits-enfants et leurs descendants ! Un dangereux et encombrant héritage... On comprend mieux ainsi l'attitude des associations écologiques qui se battent contre l'utilisation de l'énergie nucléaire et pour quelle raison la plupart des Etats ont signé la résolution de l'ONU qui mettait fin aux explosions atomiques en atmosphère. Tout le monde malheureusement n'entend pas faire de la santé et des principes éthiques une priorité face aux impératifs d'intégrité territoriale, de révolutions en marche, des problèmes socio-économiques et l'appât du gain immédiat. Car la réalité, c'est un cadre de vie plus large que celui qui gouverne l'écologie, qui subit les assauts des crises sociales, politiques, des guerres, etc. Aussi, à défaut de pouvoir se débarrasser des déchets d'uranium ayant servi à l'enrichissement, plusieurs nations dont certains pays européens n'ont pas hésité à utiliser ce genre de déchets pour fabriquer de l'uranium appauvri afin de venir à bout des troupes ennemies rapidement, à défaut de le faire proprement. Les bonnes résolutions de l'ONU mettront sans doute un jour fin à ce genre de guerres qui ont fait des millions de victimes. On en reparlera lorsque nous discuterons des effets des explosions nucléaires. De manière générale, quand on manipule des substances radioactives, le risque de contamination est trop important pour que nous continuions dans cette voie, quoiqu'en disent nos dirigeants à propos de la soi-disant propreté ou même du prix bon marché de cette énergie comparée au prix des énergies fossiles. Mais ils oublient de dire qu'il y a des énergies alternatives beaucoup plus propres et encore meilleur marché qui pourraient également bénéficier des subventions de l'Europe et que la majorité des Européens par exemple sont opposés au nucléaire. Les mentalités changent mais encore trop lentement du fait de l'influence des lobbies et de l'inertie des administrations. Dans une Europe sans frontière perdue dans un village global, cela dépasse le cadre du strict débat de politique intérieure, c'est un vrai choix de société qui nous concerne tous : Pour ou contre l'énergie nucléaire ?, telle est la question.. Pour plus d'informations Sur ce site Nucléaire civil : liste des incidents, accidents et délits Les accidents nucléaires militaires Pour ou contre l'énergie nucléaire ? Les effets des explosions nucléaires La petite histoire du Projet Manhattan Les explosions nucléaires en images Mesure de la radioactivité et protection civile Plaidoyer: Quand la Terre tourne à l'envers Sur Internet - Galerie d'images : The World's Largest Power Plants - Agences gouvernementales : CEA (AFNI), AFCN, DOE, LANL, AIEA (IAEA) - Organismes supranationaux : OMS, ONU, Commission européenne, Euratom, DGS, COWAM - Sociétés industrielles : Electrabel/Suez, Belgonucléaire, Belgoprocess, Engie (EDF/Electrabel), SFEN, Cogema - Instituts scientifiques : SCK-CEN, IEER, AIP, IN2P3 - Institut de contrôle ou de surveillance : AVN, KFI, ONDRAF, ASN, INRS, IRSN, Risque Nucléaire.be, STUK - Associations de protection de l'environnement : Greenpeace - Journaux en ligne : Bulletin of the Atomic Scientists, Timeline of Nuclear Age Certains sites éducatifs publics (musées), universitaires ou privés traitent également ce sujet et bien sûr les forums de discussions (par exemple fr.sci.physique) parfois fréquentés par des experts. Vous risquez d'être surenrichi d'informations !
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