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Uranium : des ressources suffisantes pour l’avenir ?

L’exa­m­en des ressources actuelles, à la lumière de l’histoire des décou­vertes passées comme de l’évolution des tech­niques, mon­tre que l’énergie nucléaire pos­sède les ressources néces­saires pour son fonc­tion­nement durant le siè­cle à venir, même si on dou­ble le nom­bre des réac­teurs en ser­vice. Au-delà, il sera pru­dent d’utiliser la tech­nique des réac­teurs à neu­trons rapi­des qui mul­ti­plie les ressources par un fac­teur com­pris entre 50 et 100. L’énergie nucléaire devien­dra alors une énergie durable, au même titre que les éner­gies renouvelables.

L’uranium dans les roches et les minéraux

L’oxyde d’uranium est le com­bustible de la majorité des 437 réac­teurs nucléaires actuelle­ment en ser­vice dans le monde. On trou­ve l’uranium dans la nature sous deux formes : l’uranium 238, qui en con­stitue la majeure par­tie (99,3 %), et l’uranium 235, qui est le seul iso­tope fis­sile, et en est une faible part (0,7 %). Dans les réac­teurs actuels (à eau légère, qu’elle soit pres­surisée ou bouil­lante), cette teneur n’est pas suff­isante pour entretenir la réac­tion nucléaire, c’est pourquoi l’uranium 235 est enrichi à une teneur de l’ordre de 4 %.

L’uranium est un élé­ment que ses pro­priétés géochim­iques con­duisent à se con­cen­tr­er dans la croûte con­ti­nen­tale supérieure, après une extrac­tion du man­teau sou­vent très pré­coce dans l’histoire de la Terre. On le trou­vera ain­si naturelle­ment dans les roches évoluées, comme les gran­ites, et les roches vol­caniques acides, alors que dans les autres réser­voirs – roches basiques des fonds océaniques ou du man­teau –, il sera présent à des teneurs beau­coup plus faibles.

Les gran­ites et roches vol­caniques acides (rich­es en sil­ice) con­ti­en­nent en moyenne 4 grammes d’uranium par tonne. Mais les gran­ites très évolués et spé­cial­isés en ura­ni­um en ren­fer­ment beau­coup plus, de 15 à 30 g/t, alors que cette pro­por­tion ne dépasse pas 0,1g/t dans les basaltes des rides océaniques et est sou­vent beau­coup moins élevée encore dans les roches du manteau.

Les teneurs en ura­ni­um de ces roches mag­ma­tiques n’en per­me­t­tent générale­ment pas une récupéra­tion économique. Il existe cepen­dant des excep­tions, dont une notoire, le gise­ment de Röss­ing en Nami­bie (250 000 tonnes à 300 g/t).

Mais les roches acides sont avant tout des sources d’uranium qui seront affec­tées par des proces­sus plus super­fi­ciels comme l’hydrothermalisme ou les proces­sus d’altération en sur­face, et qui libéreront l’uranium dans les eaux per­colantes et favoris­eront son dépôt dans des pièges d’oxydoréduction. En effet, la par­tic­u­lar­ité fon­da­men­tale de l’uranium est sa présence sous deux états d’oxydation : l’un qui est celui de l’uranium dans les minéraux et l’autre, plus oxy­dé, qui est le plus sou­vent celui de l’uranium en solution.

Ces proces­sus naturels de con­cen­tra­tion se pro­duisent à des inter­faces d’oxydoréduction aus­si bien dans les socles cristallins que dans les bassins sédi­men­taires. Ils con­duisent à des gise­ments dont la teneur va de l’ordre du kilo­gramme à par­fois plus de cent kilo­grammes par tonne de min­erai, et ce sont ces roches qui per­me­t­tent une récupéra­tion indus­trielle économique de l’uranium.

Où se trou­vent les gise­ments d’uranium ?

Les gise­ments d’uranium se répar­tis­sent dans divers envi­ron­nements : gran­ites ayant subi des con­cen­tra­tions mag­ma­tiques tar­dives, filons hydrother­maux, envi­ron­nements sédi­men­taires (grès, schistes), dépôts super­fi­ciels, etc.

Comme ces sources (gran­ites et roches acides appar­en­tées) sont rel­a­tive­ment com­munes sur terre, il s’ensuit que les gise­ments d’uranium sont assez bien répar­tis à la sur­face du globe. Ils se dis­tinguent ain­si des ressources pétrolières qui sont plutôt con­cen­trées dans cer­taines régions.

On trou­ve des gise­ments d’uranium dans les roches pro­fondes, en Nami­bie (gran­ites), au Groen­land, dans les proces­sus hydrother­maux liés soit aux gran­ites ou aux vol­can­ites (en Aus­tralie, en Russie, et autre­fois en Saxe-Bohême et en France), soit à l’évolution des bassins sédi­men­taires au Cana­da et en Aus­tralie, dans les grès au Kaza­khstan (pre­mier pro­duc­teur mon­di­al actuelle­ment), au Niger, aux États-Unis, en Afrique du Sud, etc.

Le plus sou­vent, les gise­ments sont regroupés à l’intérieur de provinces : la con­jonc­tion de sources rich­es en radio-élé­ments et de proces­sus con­cen­tra­teurs a per­mis la genèse de nom­breux gise­ments dans une même région.

Quelles sont les réserves actuelles d’uranium ?

Lorsqu’on évoque les réserves en ura­ni­um, on doit inté­gr­er l’aspect économique. En effet, les gise­ments d’uranium s’inscrivent très sou­vent dans des vol­umes dont les lim­ites avec les roches envi­ron­nantes ne sont pas tranchées, mais mon­trent une baisse pro­gres­sive de la con­cen­tra­tion en métal ura­ni­um. Plus le vol­ume exploité sera grand, plus la teneur moyenne en ura­ni­um sera faible, et plus le coût de son extrac­tion sera élevé. Cela sig­ni­fie que l’intérêt économique d’exploiter les réserves d’un gise­ment dépend étroite­ment du prix de vente du métal à un moment don­né. Le mineur ne con­naît en effet que deux caté­gories de roches : le min­erai et le stérile. Et la teneur de coupure qui fait pass­er une roche de la caté­gorie « min­erai » à la caté­gorie « stérile » n’est pas géologique, mais économique. Cela a des con­séquences impor­tantes sur le mon­tant des ressources en ura­ni­um : ces ressources n’ont pas de lim­ites physiques, mais des lim­ites économiques.

Compte tenu du fait que le prix de la matière pre­mière – l’uranium naturel – n’entre que pour 5 % dans le prix du kilo­wattheure, on voit aisé­ment que le prix de l’uranium peut s’élever sans affecter con­sid­érable­ment le prix du pro­duit final : l’électricité.

Actuelle­ment, les réserves d’uranium prou­vées grâce à des recon­nais­sances par sondages, et exploita­bles à moins de 130 dollars/kg de métal sont de cinq mil­lions de tonnes, et s’élèvent à sept mil­lions de tonnes si le prix passe à 260 USD/kg. Ces valeurs incor­porent cepen­dant les exten­sions des gise­ments actuels, pour lesquels les recon­nais­sances ne sont pas achevées.

Les ressources sup­plé­men­taires estimées, c’est-à-dire celles qui ne sont pas encore décou­vertes, mais que le raison­nement géologique per­met de con­sid­ér­er comme plau­si­bles, sont d’une dizaine de mil­lions de tonnes. Ce qui fait un total de 15 à 17 mil­lions de tonnes.

La valeur de 130 dollars/kg d’uranium est intéres­sante, car elle est proche de celle du marché à long terme actuel.

À ce chiffre, il faut ajouter des ressources plus exo­tiques, mais qui sont de plus en plus pris­es en compte en rai­son de l’évolution des procédés de traite­ment, comme les phos­phates et les schistes noirs, dont les réserves pour­raient attein­dre des valeurs com­pris­es entre 15 et 25 mil­lions de tonnes. Dans le pre­mier cas, la pro­duc­tion d’uranium est liée à celle de l’élément pour lequel la mine a été ouverte : le phos­phate, l’or en Afrique du Sud, le cuiv­re en Aus­tralie, et l’uranium est extrait comme sous-pro­duit. Dans ce cas, on ne peut pas aug­menter sa pro­duc­tion comme dans une mine d’uranium puisque elle est liée à l’exploitation du pro­duit prin­ci­pal. Il n’en reste pas moins que la plus grande mine d’uranium du monde, Olympic Dam en Aus­tralie (3 300 tonnes extraites en 2012), est d’abord une mine de cuivre…

Les ressources en ura­ni­um sont-elles en adéqua­tion avec les besoins ?

La con­som­ma­tion d’uranium a été, en 2012, de 64 000 tonnes. La pro­duc­tion, de 58 000 tonnes cette même année, a été com­plétée par des sources sec­ondaires : baisse des stocks com­mer­ci­aux, con­ver­sion des stocks de matières mil­i­taires, ura­ni­um issu du retraite­ment des com­bustibles usés. Mais les deux pre­mières sources sec­ondaires se taris­sent et de nom­breux pro­jets de mise en exploita­tion de gise­ments inven­toriés sont à l’œuvre. Ceux-ci ont souf­fert de la baisse des prix du métal pen­dant une longue péri­ode, et cela a freiné le lance­ment de pro­jets miniers.

Le parc mon­di­al des réac­teurs en activ­ité va néces­siter env­i­ron 2 mil­lions de tonnes jusqu’à sa fin de vie. Les réserves en ura­ni­um sont donc très large­ment supérieures aux besoins du parc nucléaire actuel, car les ressources iden­ti­fiées per­me­t­tent l’approvisionnement de la flotte mon­di­ale de réac­teurs pen­dant plus d’un siè­cle. Mais si l’énergie nucléaire devait se dévelop­per forte­ment, il faudrait ouvrir de nou­velles mines. Ain­si, selon les scé­nar­ios, les besoins annuels en 2035 pour­raient s’établir entre 100 000 et 135 000 tonnes.

La mise en exploita­tion de nou­veaux gise­ments néces­site des investisse­ments lourds, qui sont gênés par la fluc­tu­a­tion des cours du métal. Ain­si, les prix très bas de l’uranium durant les années 1980, 1990 et 2000 ont entraîné une qua­si-dis­pari­tion de la prospec­tion pen­dant plus de vingt années et la fer­me­ture de cer­taines mines. À par­tir de 2005, la hausse des cours de l’uranium, con­séc­u­tive à une crois­sance rapi­de de ceux du pét­role, a con­duit à une forte aug­men­ta­tion des dépens­es d’exploration au niveau mon­di­al. Cepen­dant, depuis 2008, la crise finan­cière a sta­bil­isé les cours du pét­role et engen­dré une baisse impor­tante de ceux de l’uranium.

Il faut not­er enfin que la diver­sité des modes de for­ma­tion des gise­ments d’uranium, comme celle des envi­ron­nements géologiques, n’a pas encore per­mis aux géo­logues de dévelop­per une méth­ode fiable pour éval­uer les ressources ultimes en ura­ni­um de la planète. Cela dif­fère notable­ment des ressources pétrolières, où l’étude des grands bassins sédi­men­taires a per­mis de réalis­er ce tra­vail avec un cer­tain suc­cès. De fait, il n’est pas cer­tain que le terme de « ressources ultimes » ait un sens pour les min­erais métalliques…

L’uranium 238, com­bustible des réac­teurs à neu­trons rapides

Les réac­teurs de fis­sion actuels à eau légère (de deux­ième et troisième généra­tions) ne brû­lent que l’uranium 235, et un peu de plu­to­ni­um for­mé comme sous-pro­duit de la fis­sion. Cela sig­ni­fie que l’uranium 238, qui forme 99 % de la masse de l’uranium naturel, est inutil­isé dans ces réacteurs.

Or il existe une pos­si­bil­ité de brûler la total­ité de l’uranium : c’est l’utilisation des réac­teurs à neu­trons rapi­des (de qua­trième généra­tion). Les réac­teurs à neu­trons rapi­des, du type Phénix ou Super­phénix en France, ou BN 600 et BN 800 en Russie, ont la par­tic­u­lar­ité, après leur démar­rage, de brûler l’uranium 238.

En effet, sous l’effet du bom­barde­ment par les neu­trons rapi­des, l’uranium 238 cap­ture un neu­tron et, après une série de réac­tions, se trans­forme en plu­to­ni­um 239, qui est fis­sile. Ce dernier devient le com­bustible du réac­teur. On gagne donc, en théorie, un fac­teur 100 dans l’utilisation du com­bustible et on brûle, en prime, une bonne par­tie des déchets des com­bustibles usés des réac­teurs à eau légère actuels.

Compte tenu des réserves gigan­tesques d’uranium appau­vri (les rejets de l’enrichissement en ura­ni­um 235 par dif­fu­sion gazeuse ou cen­trifu­ga­tion), le monde se trou­ve à la tête d’une réserve colos­sale de com­bustible (deux mil­lions de tonnes). La France, elle-même, pos­sède aujourd’hui un stock d’environ 250 000 tonnes d’uranium appau­vri, ce qui lui per­me­t­trait de pro­duire de l’électricité, selon la demande actuelle, pen­dant deux mille à trois mille ans. Avec de telles per­spec­tives, l’énergie nucléaire n’est-elle pas aus­si pérenne qu’une énergie renouvelable ?

Si le nucléaire devait se dévelop­per forte­ment, en par­ti­c­uli­er pour lut­ter con­tre le réchauf­fe­ment cli­ma­tique, il serait avisé de recourir aux réac­teurs à neu­trons rapides.

Le tho­ri­um, un autre com­bustible nucléaire

On peut aus­si faire fonc­tion­ner un réac­teur nucléaire avec du tho­ri­um. Le déploiement de réac­teurs brûlant du tho­ri­um repose cepen­dant sur le fonc­tion­nement des réac­teurs actuels, car le tho­ri­um lui-même n’est pas fis­sile. Il faut d’abord le trans­former en ura­ni­um 233, qui est fis­sile, et on ne peut le pro­duire au départ que dans des réac­teurs à ura­ni­um. Les recherch­es pour l’utilisation du tho­ri­um comme com­bustible nucléaire n’ont pas été impor­tantes à ce jour, mais elles se dévelop­pent en Inde et en Chine, et une veille est assurée en France, au CNRS en par­ti­c­uli­er. En effet, les ressources en ura­ni­um sont telles qu’elles suff­isent actuelle­ment à l’industrie nucléaire. Mais il est clair qu’en cas de besoin le tho­ri­um pour­rait con­tribuer grande­ment à l’approvisionnement énergé­tique de la planète. Une car­ac­téris­tique intéres­sante des réac­teurs au tho­ri­um est que les résidus pro­duits ne con­ti­en­nent pas d’actinides mineurs et ne pro­duisent pas de plu­to­ni­um, ce qui est un avan­tage dans la ges­tion à long terme des déchets.

Le tho­ri­um présente deux car­ac­téris­tiques aux con­séquences antag­o­nistes. Il est plus abon­dant que l’uranium sur terre : il y en a env­i­ron qua­tre fois plus. Mais, sa sol­u­bil­ité, beau­coup plus faible, entraîne une mobil­ité moin­dre, et une inca­pac­ité d’enrichissement par les procédés hydrother­maux ou super­fi­ciels. Si de nom­breux gise­ments sont con­nus, l’évaluation des ressources en tho­ri­um de la planète reste moins pré­cise que celles en ura­ni­um. Elles sont estimées, actuelle­ment, à sept mil­lions de tonnes. Des stocks impor­tants de tho­ri­um résul­tant en par­ti­c­uli­er de l’exploitation des ter­res rares, aux­quelles il est générale­ment asso­cié, exis­tent déjà dans le monde.

L’uranium de l’eau de mer : une ressource future ou un mirage ?

L’eau de mer con­tient env­i­ron trois mil­ligrammes d’uranium par mètre cube, ce qui con­duit à un stock de plus de qua­tre mil­liards de tonnes d’uranium. Si cet ura­ni­um était récupérable, il pour­rait ali­menter les réac­teurs nucléaires pen­dant des mil­liers d’années.

Mal­heureuse­ment, la tech­nolo­gie d’extraction de l’uranium de l’eau de mer est com­plexe et très coû­teuse. Si elle a pu être réal­isée à l’échelle du lab­o­ra­toire, le pas­sage à l’échelle indus­trielle pose des prob­lèmes gigan­tesques, compte tenu de l’extrême faib­lesse de la con­cen­tra­tion. Ain­si, pour pro­duire mille tonnes d’uranium par an, ce qui est le cas d’un bon gise­ment, il faudrait con­stru­ire une instal­la­tion capa­ble de traiter dix mil­liards de mètres cubes d’eau de mer chaque jour… Le pom­page de l’eau est exclu, car l’énergie néces­sitée  représen­terait une frac­tion trop élevée de celle pro­duite par l’uranium récupéré…

Les recherch­es actuelles se focalisent sur des procédés de con­cen­tra­tion de l’uranium par adsorp­tion sur des sur­faces. Il faut trou­ver des sub­stances sus­cep­ti­bles d’adsorber suff­isam­ment l’uranium pour ne pas néces­siter des ton­nages trop con­sid­érables d’adsorbant.

Aujourd’hui, il paraît clair que l’extraction de l’uranium de l’eau de mer deman­dera encore de longues recherch­es, et des sauts tech­nologiques seront sûre­ment néces­saires avant de débouch­er sur une éventuelle appli­ca­tion indus­trielle. Cette option ne pour­rait se dévelop­per qu’en cas de pénurie des matières fis­siles et fer­tiles à terre. Or cette pénurie n’est pas en vue à l’heure actuelle.

Ayons foi dans les pro­grès de la technique

Nous com­prenons main­tenant, au terme de cette revue, que les ressources en matière fis­sile pour fab­ri­quer le com­bustible des réac­teurs nucléaires seront disponibles pen­dant une longue péri­ode, que nous sommes loin d’avoir exploité toutes les ressources con­nues et qu’enfin il reste encore beau­coup d’uranium à découvrir.

Mais nous tenons à faire deux remar­ques sup­plé­men­taires con­cer­nant l’exploration et l’exploitation minières.

L’uranium est un métal jeune qui est sous-exploré si on le com­pare aux autres métaux comme le cuiv­re, le plomb, l’or, etc. Au début des années 1970, quand les prospecteurs ont décou­vert au Cana­da les gise­ments de Key Lake et Cluff Lake, ils n’ont pas com­pris qu’ils ouvraient une nou­velle classe de gise­ments à laque­lle per­son­ne n’avait pen­sé aupar­a­vant : les gise­ments d’uranium liés aux dis­cor­dances (c’est-à-dire for­més à la base de bassins sédi­men­taires reposant sur un socle cristallin), dont le poten­tiel au Cana­da et en Aus­tralie dépasse six cent mille tonnes, et qui sont par­ti­c­ulière­ment rich­es, comme ceux de McArthur et Cig­ar Lake. Et on n’imaginait pas non plus qu’un gise­ment aus­si mon­strueux qu’Olympic Dam (Aus­tralie), avec ses réserves de 1,3 mil­lion de tonnes d’uranium à 80 dollars/kg pût exister…

Par ailleurs, les méth­odes d’exploitation ont pro­fondé­ment évolué. Le lessi­vage in situ, c’est-à-dire par sondages, sans exca­va­tion minière, est devenu la méth­ode la plus util­isée dans le monde (45 % de la pro­duc­tion en 2012). Elle a même per­mis de repren­dre l’extraction de l’uranium dans des mines qui avaient été fer­mées parce que non renta­bles avec les méth­odes minières traditionnelles.

La prospec­tion des gise­ments d’uranium ain­si que leur exploita­tion s’améliorent donc sans cesse, et il ne serait pas raisonnable de croire que les valeurs actuelles des ressources soient la lim­ite ultime des ressources exploita­bles. L’exemple des hydro­car­bu­res nous invite à beau­coup plus d’optimisme.

En effet, qui aurait pen­sé, il y a vingt ans, qu’on irait chercher l’huile et le gaz dans les roches mères et non plus seule­ment après leur migra­tion dans les réser­voirs ? Et qui aurait prédit que les États-Unis deviendraient auto­suff­isants et même expor­ta­teurs d’hydrocarbures et que, selon l’avis de nom­breux géo­logues améri­cains, ces nou­velles réserves ali­menteraient le pays pen­dant une cen­taine d’années ?

Le niveau actuel des ressources en ura­ni­um n’est pas totale­ment défi­ni, car il est lié d’une part aux tech­niques actuelles de prospec­tion et d’exploitation, et d’autre part au prix de l’uranium. Il reste que la capac­ité de l’industrie minière à sat­is­faire les besoins en com­bustible des réac­teurs dépen­dra essen­tielle­ment du niveau de ses investisse­ments. Si ces derniers ne suiv­ent pas suff­isam­ment rapi­de­ment, il est pos­si­ble que des ten­sions se pro­duisent sur les prix au milieu du siè­cle. C’est pourquoi il serait pru­dent de dévelop­per la tech­nolo­gie des réac­teurs à neu­trons rapi­des pour utilis­er les stocks d’uranium appau­vri et assur­er l’avenir en cas de besoin.

L’énergie nucléaire est une énergie pro­pre quand elle fonc­tionne bien. Elle pro­duit de l’électricité en base sans émis­sions de gaz à effet de serre. Avec les réac­teurs de qua­trième généra­tion, elle devien­dra économique­ment durable.

Illus­tra­tion : deux mineurs tra­versent une galerie du gise­ment d’uranium de Cig­ar Lake, le deux­ième plus grand gise­ment d’uranium à haute teneur dans le monde. Décou­vert en 1981, il est local­isé dans le nord de la province de Saskatchewan (dans l’ouest du Cana­da) et s’étend sur près de deux kilo­mètres, à 500 mètres sous terre (© Cameco)

À propos de l'auteur

Bernard Poty

Bernard Poty

Bernard Poty est ingénieur-géologue ENSG et directeur de recherche honoraire au CNRS. Il fut directeur du Centre de Recherches sur la Géologie de l’Uranium (CREGU).

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