Unité de travail de séparation

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L'unité de travail de séparation (UTS, en anglais separative work units SWU, en allemand Urantrennarbeit UTA) représente le travail nécessaire à la séparation d'un kilogramme d'uranium en deux lots de teneur isotopique différente.

L'UTS est proportionnelle à la quantité de matière traitée, et à l'énergie nécessaire pour obtenir la séparation. Elle dépend de la composition du mélange initial, et du taux d'enrichissement recherché.

Cette unité a la dimension d'une masse. De ce fait, les Allemands l'expriment volontiers en « kg UTA », une unité de « 1 t UTA » correspond donc à 1 kUTS.

La capacité mondiale en UTS était de l'ordre de 50 millions d'UTS / an en 2001.

[modifier] Définition

La quantité de travail de séparation $W UTS$ nécessaire pour séparer une masse $E$ en entrée, de teneur $x e$ , en une masse $P$ de produit de sortie de teneur $x p$ , et un résidus de masse $R$ de teneur $x r$ , est exprimé par l'expression suivante:

$W_\mathrm{SWU} = P \cdot V\left(x_{p}\right)+R \cdot V(x_{r})-E \cdot V(x_{e})$

Où $V\left(x\right)$ est la fonction de la teneur, définie par:

$V(x) = (1 - 2x) \cdot \ln\left(\frac{1 - x}{x}\right)$

La répartition entre les flux de sortie se calcule simplement en écrivant que le flux total de matière et le flux de composé sont simultanément conservés:

$E = P + R \qquad \text{et} \qquad E\cdot x_{e} = P\cdot x_{p} + R\cdot x_{r}$

D'où l'on déduit facilement que le rapport entre masse de produit et masse d'entrée est donné par l'expression:

$\frac{P}{E} = \frac{x_{p} - x_{e}}{x_{p} - x_{r}}$

Et le rapport entre résidus masse d'entrée est donné par l'expression complémentaire:

$\frac{R}{E} = \frac{x_{e} - x_{r}}{x_{p} - x_{r}}$

[modifier] Coût énergétique

L'unité de travail de séparation est proportionnel à la variation d'entropie de mélange.

Sa valeur énergétique dépend du processus employé dépend du processus industriel effectivement utilisé, et du temps mis pour réaliser le processus. En effet, plus on cherche à réaliser une action rapidement, plus son irréversibilité est grande. Le rendement est d'autant meilleur qu'on s'approche d'états quasi-statiques, donc que le processus devient lent - les transformations réversibles, ayant le meilleur rendement possible, sont infiniment lentes, ce qui n'est pas un objectif économique intéressant. Une réalisation technologique nécessite un compromis entre l’amélioration du rendement et le raccourcissement de la durée du processus.

Un exemple extrême est celui de l’enrichissement de l’uranium par diffusion gazeuse : l’usine de Pierrelatte consomme, pour pomper l’hexafluorure d’uranium gazeux à travers les barrières poreuses qui laissent mieux passer l’isotope 235 que l’isotope 238, une énergie mécanique de 9 MWh par kg d’uranium enrichi, ce qui représente 7 × 10^7 fois plus que le minimum théorique imposé par la diminution de l’entropie de mélange !^[1]

[modifier] Exemple

Si par exemple on part de 100kg de NU, il faut à peu près 61 UTS pour produire 10 kg de LEU au taux de ²³⁵U de 4.5% et un résidus de 0.3%.

La capacité en UTS d'une usine de séparation est directement reliée à la quantité d'énergie que cette usine consomme, mais dépend du procédé industriel retenu. Des usines d'enrichissement par diffusion gazeuse demandent typiquement 2,400 to 2,500 kilowatt-heures (8,600 to 9,000 megajoules or 9 gigajoules) d'électricité par UTS, alors qu'un enrichissement par centrifugation ne demande que 50 à 60 kWh (180 à 220 MJ) d'électricité par UTS.

Une centrale de 1300 MW consomme 25 tonnes de LEU à 3.75%. Cette quantité est extraite de 210 tonnes d'uranium naturel, ce qui demande 120 kUTS. Une usine d'enrichissement de 1000 kUTS/an est donc capable d'alimenter huit centrales de cette taille.

[modifier] Optimisation des coûts

Outre les UTS nécessaires, l'autre paramètre important à prendre en compte est la masse d'uranium naturel nécessaire pour obtenir une quantité donnée d'uranium enrichi. Le flux d'entrée nécessaire dépendra de la quantité d'²³⁵U qui passe dans l'uranium appauvri en tant que rejet. Plus la teneur des rejets sera faible, et moins il faudra de matière en entrée pour une production donnée, mais plus la quantité d'UTS sera importante.

Par exemple, pour obtenir de l'uranium faiblement enrichi nécessaire pour un réacteur à eau légère (typiquement à 3.6%) à partir d'uranium naturel (à 0.7%): la production d'un kilogramme d'uranium enrichi demandera 8 kg d'uranium naturel et 4.5 UTS en acceptant un résidu d'uranium appauvri à 0.3%; et ne demandera que 6.7 kg d'uranium naturel mais 5.7 UTS pour un résidu d'uranium appauvri à 0.2%.

Du fait que la quantité d'uranium naturel et la quantité d'UTS varient en sens inverse, si l'uranium naturel est comparativement peu coûteux les opérateurs laisseront des résidus à teneur élevée (de l'ordre de 0.35%); alors que si l'uranium naturel est cher, il devient plus économique de diminuer la teneur du résidu jusqu'à 0.2% ou 0.15%.