ENGINEERINGNET.BE - Un four de fusion doit permettre de recycler l’acier faiblement radioactif provenant de centrales nucléaires.
Le gouvernement belge a alloué 13,5 millions d’euros au projet SMELD (State-of-the-art MEtal MElting Limiting waste during D&D) dans le cadre d’un plan de relance et de résilience. Il compte sur les partenaires du projet pour contribuer au développement de l’économie circulaire tout en stimulant l’innovation chez les acteurs industriels belges. Cet investissement doit également soutenir la création d’emplois locaux dans le secteur du démantèlement des centrales nucléaires à l’arrêt.
Deux fours de laboratoire sont actuellement en service : l’un est dédié à la recherche sur la fusion des métaux non radioactifs et l’autre à celle des métaux radioactifs. Le four non radioactif a été testé et approuvé, tandis que son équivalent pour les essais radioactifs a reçu l’autorisation de mise en service. Des essais préliminaires sont en cours pour étudier les différentes voies de traitement possibles.
Des flux de déchets d’acier en augmentation
« Dans les parties en acier des réacteurs nucléaires, des isotopes radioactifs se forment, notamment ceux du fer, du cobalt, du nickel et du césium », explique le project leader, Nenad Milenkovic. « La demi-vie de ces isotopes varie de quelques mois à plusieurs centaines d’années. Si nous parvenons à les éliminer en grand partie, il devient alors possible de réutiliser l’acier dans des applications nucléaires. » L’importance économique de tels procédés va croître dans les années à venir : cinq des sept réacteurs nucléaires commerciaux belges sont en cours de démantèlement. La quantité d’acier radioactif susceptible de bénéficier d’une seconde vie va augmenter significativement. « De plus, on peut appliquer cette technologie à d’autres flux d’acier nucléaire, comme ceux provenant de cyclotrons hors service. »
Un four de fusion traditionnel. (photo Romain Logist / CRM)
De gazeux à liquide
Les métaux activés sont omniprésents dans les installations nucléaires, des pièces de réacteur aux composants structurels. Des techniques existent déjà pour séparer les isotopes radioactifs, principalement le cobalt 60.
« Ces méthodes traditionnelles sont toutefois coûteuses et gourmandes en ressources », explique Nenad Milenkovic. « Elles reposent sur des molécules à l’état gazeux et recourent à l’induction industrielle, qui nécessite des températures très élevées. » Le nouveau procédé adopte une approche différente : le traitement des matériaux oxydés à l’état liquide, à une température d’environ 1.600°C. « Le taux de réutilisation des métaux radioactifs issus des centrales nucléaires est actuellement d’environ 35%. Notre objectif est de le porter à 50%. Cela nous permettra de réduire la quantité de déchets radioactifs à stocker de manière sécurisée sur le long terme. C’est un enjeu majeur, tant sur le plan financier que social. Et nous anticipons d’éventuelles futures réglementations européennes. »
Échantillons de métaux non radioactifs avant et après fusion dans le four de laboratoire, à une température de 1600°C. (photo Klaas De Buysser)
Thermodynamique
Le coeur de la recherche porte sur la thermodynamique. « La composition de l’acier et la répartition des isotopes radioactifs varient selon l’application, le type de réacteur, voire le composant. Nous collectons des données à l’échelle européenne afin de dresser un inventaire que nous analysons pour déterminer, pour chaque type d’échantillon, la température idéale et d’autres paramètres permettant d’optimiser les fours et les procédés de fusion. Cela implique d’analyser les échantillons tant avant qu’après le procédé de fusion. Pour obtenir un résultat optimal, il peut être nécessaire de régler le four différemment, selon l’origine de l’acier radioactif. »
Le réacteur VENUS de SCK CEN est essentiel dans le développement de petits réacteurs refroidis au plomb. (photo Klaas De Buysser)
Et après?
« Le SCK CEN et CRM Group sont des centres de recherche. Notre équipe compte une quarantaine de personnes, dont plusieurs chercheurs de la Vrije Universiteit Brussel qui consacrent leur thèse de doctorat à ce projet. L’objectif, une fois le projet SMELD achevé, sera de trouver des partenaires industriels belges pour exploiter une installation pilote. Cela devrait renforcer la position de la Belgique dans ce secteur. »
Le retraitement du combustible nucléaire suspendu
Un autre projet de valorisation des déchets nucléaires a été abandonné il y a plusieurs années : le retraitement du combustible usé pour en faire un nouveau combustible nucléaire.
« La technologie a été en grande partie développée en Belgique par le SCK CEN et Belgonucleaire », explique Christophe Bruggeman, directeur adjoint du SCK CEN. « Les barres d’uranium destinées aux réacteurs nucléaires ne contiennent que 4% d’isotope U235, apte aux réactions nucléaires. Le reste est composé de l’isotope radioactif U238. Après dix-huit mois d’utilisation dans un réacteur, il reste encore 94% de l’uranium d’origine. L’uranium ‘consommé’ est en partie transformé en plutonium et actinides supérieurs, ainsi qu’en produits de fission à vie courte, comme les isotopes du césium et du strontium. »
Dans les années 1960 et au début des années 1970, une usine pilote de retraitement destinée à la récupération de l’uranium et du plutonium était implantée à Dessel, près de Mol : Eurochimic. « Elle a été mise hors service une dizaine d’années plus tard. La France et le Royaume-Uni ont poursuivi leurs efforts dans ce domaine. Au total, environ 600 tonnes de combustible nucléaire usé belge ont été retraitées, principalement à l’usine française de La Hague. Cependant, après la catastrophe de Tchernobyl et les débats parlementaires sur l’avenir de l’énergie nucléaire, aucun nouveau contrat commercial n’a été conclu. Aujourd’hui, seul le combustible provenant de nos réacteurs de recherche est envoyé en France. Le combustible usé des centrales nucléaires commerciales est, quant à lui, stocké sur les sites de Doel et de Tihange. Le volume total s’élève à environ 5.000 tonnes. En octobre 2022, le gouvernement belge a pris une décision de principe concernant le stockage souterrain de déchets hautement radioactifs et à vie longue. Il est important que nous décidions également, à l’avenir, du sort de ce combustible usé : le retraiter ou le stocker directement. »
Des facteurs économiques ont joué un rôle dans l’arrêt des contrats de retraitement. « Comparé à l’uranium nouvellement enrichi, l’uranium retraité était relativement cher », poursuit Christophe Bruggeman. « De plus, un recyclage illimité est impossible car la part d’actinides supérieurs augmente à chaque cycle. Néanmoins, le retraitement pourrait redevenir pertinent, compte tenu de la hausse des prix de l’uranium et des tensions géopolitiques dans certains pays producteurs. Les nouveaux réacteurs refroidis au plomb, en cours de développement, permettront un recyclage à grande échelle. Le centre de recherche nucléaire SCK CEN développe, avec des partenaires européens, EAGLES-300 : un petit réacteur modulaire refroidi au plomb. Le premier modèle de démonstration sera installé sur le site de SCK CEN.
Sur la photo en haut: ces colonnes de séchage font partie du nouveau four : elles régulent l’atmosphère du four et les gaz injectés, comme l’oxygène utile aux réactions chimiques dans le métal en fusion.
