Dès le début de l’utilisation industrielle de l’énergie électro-nucléaire en France, le combustible issu des divers types de réacteurs a été conçu pour permettre son retraitement. Le programme MOX d’Electricité de France permet de recycler le plutonium récupéré dans les combustibles usés retraités chaque année.

I – Historique

Très tôt, l’option a été prise de fermer le cycle, c’est-à-dire d’intégrer le retraitement du combustible et le recyclage des matières valorisables. Cette option a résisté aux évolutions importantes qui ont marqué l’histoire électro-nucléaire en France.

Ce fut d’abord, à la fin des années 60, l’abandon de la filière uranium naturel graphite-gaz (UNGG) au profil de la filière à eau sous pression REP, puis au début des années 80, l’ajournement du développement significatif d’une filière rapide surgénératrice (RNR) avant son arrêt en 1997.

Cette dernière évolution, et le fait que le recyclage des matières valorisables restait la voie privilégiée de l’aval du cycle de combustible nucléaire, a conduit en 1984 EDF à la décision de recycler le plutonium dans les tranches REP 900 MW du premier contrat programme (CP1) pour lesquelles, au début des années 70, toutes les mesures conservatoires tant techniques qu’administratives avaient été prises à la conception, pour accepter un combustible constitué d’un Mélange d’OXydes d’uranium et de plutonium (MOX). Cette solution n’est pas nouvelle. En effet, mise en pratique pour la première fois en Belgique en 1963, elle est aujourd’hui également utilisée en Suisse, en Allemagne et au Japon.

De la même façon, l’option du retraitement a permis à EDF d’introduire dans les réacteurs REP 900 MWe du combustilbe fabriqué à partir d’uranium de retraitement réenrichi (URE).

II – La fabrication du combustible MOX

Les spécificités du plutonium (radiotoxicité notamment) imposent pour la fabrication du combustible MOX la construction d’usines adaptées. De telles usines ne sont intéressantes économiquement qu’en fonction de l’existence de programmes de retraitement et donc de recyclage du plutonium.

L’usine belge de Belgonucléaire, à Dessel, qui a été une des premières usines de fabrication de combustible MOX, a une capacité de fabrication de 35 tonnes par an.

BNFL a démarré en 2002 une usine de fabrication de MOX d’une capacité d’une centaine de tonnes sur le site de retraitement de Sellafield.

En ce qui concerne la France, l’usine du CEA à Cadarache, qui fabriquait le combustible adapté pour les réacteurs à neutrons rapides, a été transformée pour fabriquer du combustible MOX en 1988. Sa production était de 35 tonnes par an. Cette usine a cessé sa production en 2003.

Entrée en service en fin d’année 1995 à Marcoule, l’usine Melox, filiale de Cogéma, a atteint la capacité de production d’environ 100 tonnes par an en 1998, ce qui permet de couvrir l’ensemble des besoins d’EDF en combustible MOX. En 2003, Melox a obtenu l’autorisation de porter sa capacité de production à 145 tonnes par an afin de servir l’ensemble des clients étrangers du groupe AREVA.

III – Le combustible MOX

Le combustible MOX est constitué d’un mélange d’oxydes de plutonium, environ 7 à 10 %, et d’oxyde d’uranium appauvri. Le plutonium est livré, depuis les stockages des usines de retraitement, sous forme de poudre PuO₂ en lots homogènes d’environ 50 kg ; la composition isotopique de chaque lot lui est propre et dépend des caractéristiques et de l’histoire des assemblages irradiés dont il est issu.

Dans une 1^ère étape, un mélange mère de poudres d’oxyde d’uranium et de plutonium est réalisé. Il permet de constituer un concentré contenant de 25 à 30 % de plutonium.

Dans une 2^nde étape, et jusqu’à obtention de la bonne concentration, les divers mélanges mères sont associés par prélèvements et dilués par addition d’oxyde d’uranium appauvri. La poudre des mélanges secondaires ainsi constitués est pressée sous 5000 bars pour former des pastilles cylindriques qui sont ensuite frittées par chauffage dans des fours à 1700°C.

Le frittage agglomère les pastilles en céramique extrêmement dure qui sont ensuite rectifiées aux dimensions exigées pour leur insertion dans les gaines de crayons.

Les crayons de combustible MOX (264 crayons MOX dans un assemblage) sont introduits dans le squelette d’assemblage de manière identique aux crayons des assemblages REP à l’UO₂. Une recharge MOX contient jusqu’à 16 assemblages MOX. Il lui est toujours associé une recharge de combustible à l’UO₂ pour compléter le chargement du réacteur lors de l’arrêt pour renouvellement du combustible.

L’ensemble des opérations de fabrication intervient dans l’année qui précède le chargement des assemblages MOX dans le réacteur, soit une dizaine d’années après le déchargement des assemblages à l’UO₂ usés.

IV – La politique d’EDF

Sur le plan énergétique, 1 g de plutonium peut fournir autant d’énergie qu’une tonne de pétrole. Le coût du combustible à l’uranium enrichi et le coût du MOX sont sensiblement équivalents : la fabrication du MOX est plus chère que celle de l’UO₂, mais elle est compensée par l’économie de matière nucléaire.

EDF dispose de 28 réacteurs 900 MWe qui ont été conçus à l’origine pour consommer du combustible MOX. Aujourd’hui, 20 d’entre eux sont autorisés à fonctionner avec ce type de combustible. La politique d’EDF est celle de l’égalité des flux, c’est-à-dire que les quantités de combustibles qui sont retraitées correspondent à celles du plutonium qu’EDF peut recycler immédiatement dans ses réacteurs fonctionnant avec du MOX, aux délais industriels de fabrication près. Cette organisation permet de ne pas accumuler du plutonium séparé.

Ainsi, le retraitement d’environ 850 tonnes de combustible usé fournit 8,5 tonnes de plutonium qui, à leur tour, permettront de fabriquer environ 200 assemblages par an, soit près de 10 % des besoins en combustibles.

La décision d’utiliser du combustible MOX dans les réacteurs 900 MWe a été prise en 1984 et les premiers éléments de ce type ont été introduits en 1987 à la centrale de Saint-Laurent B.