Utilisations alternatives des déchets nucléaires

L'énergie nucléaire est idéale si vous souhaitez produire beaucoup d'électricité sans émettre beaucoup de CO2 et d'autres polluants nocifs. Cependant, le problème majeur de la technologie a toujours été le problème des déchets. De nombreux sous-produits de l'exploitation des centrales nucléaires sont radioactifs et le restent pendant des milliers d'années. Stocker ces déchets de manière sûre et économique reste un problème.

Les méthodes alternatives pour traiter ce flux de déchets continuent d'être un domaine de recherche actif. Alors, quelles sont certaines des façons dont ces déchets peuvent être détournés ou réutilisés ?

L'une des principales formes de déchets d'un réacteur nucléaire à eau légère (LWR) typique est le combustible usé de la réaction de fission. Ceux-ci se composent d'environ 3 % d'isotopes de déchets, 1 % d'isotopes de plutonium et 96 % d'isotopes d'uranium. Ces déchets sont riches en éléments transuraniens, qui ont des demi-vies mesurées sur plusieurs milliers d'années. Ceux-ci posent les plus gros problèmes de stockage, car ils doivent être conservés en toute sécurité dans un endroit sûr pendant des durées dépassant de loin la durée de vie de toute société humaine.

La solution proposée à ce problème consiste à utiliser à la place des réacteurs à neutrons rapides, qui « engendrent » de l'uranium 238 non fissile en plutonium 239 et plutonium 240, qui peuvent ensuite être utilisés comme combustible neuf. Les conceptions avancées ont également la capacité de traiter d'autres actinides, en les utilisant également comme combustible dans le processus de fission. Ces réacteurs ont l'avantage de pouvoir utiliser la quasi-totalité de l'énergie contenue dans le combustible à l'uranium, réduisant ainsi la consommation de combustible de 60 à 100 fois par rapport aux méthodes conventionnelles.

Malheureusement, la technologie des surgénérateurs rapides a été largement freinée par l'économie. La découverte de ressources d'uranium plus abondantes dans les années 1970 a signifié qu'il est moins cher de simplement déterrer plus de combustible que de retraiter les déchets. De plus, les inquiétudes concernant la capacité des réacteurs surgénérateurs rapides à créer des matières nucléaires adaptées aux armes ont également entravé le développement. Bien que la technologie soit prometteuse, des développements majeurs dans ce domaine sont probablement dans des décennies.

Pour les vaisseaux spatiaux voyageant dans l'au-delà, l'énergie solaire ne suffit pas toujours. Après Mars, il n'y a tout simplement pas autant de lumière provenant du Soleil pour faire des panneaux solaires une option viable pour l'alimentation électrique. Dans ces cas, les engins spatiaux utilisent souvent des générateurs thermoélectriques à radio-isotopes (RTG), qui emballent des matières radioactives dans un boîtier avec des thermocouples. La chaleur du matériau en décomposition génère de l'électricité à travers le réseau de thermocouples, qui est utilisé pour faire fonctionner le vaisseau spatial. Un avantage supplémentaire est que la chaleur fournie aide à maintenir les systèmes à bord de l'embarcation à une température de fonctionnement appropriée.

Historiquement, ceux-ci ont été utilisés par la Russie et les États-Unis, mais l'Agence spatiale européenne tient à mettre la main sur la technologie. Le plan consiste à extraire l'américium-241 des stocks de déchets britanniques de plutonium provenant du retraitement du combustible nucléaire. Bien qu'il soit peu probable qu'il s'agisse d'un projet majeur en termes de nettoyage des déchets, il pourrait constituer une source utile de matériaux RTG. Ceci est particulièrement pertinent alors que les stocks américains s'épuisent, car le plutonium-238 utilisé auparavant n'était disponible que dans les réacteurs utilisés pour produire des armes nucléaires, qui ont depuis été arrêtés. La course est lancée pour produire plus, mais en attendant, cela ouvre la porte au projet britannique.

Une idée alternative dans cet espace est celle de la batterie bêtavoltaïque. Cela fonctionne en utilisant un matériau semi-conducteur qui capture les électrons libérés par la désintégration bêta de la matière radioactive. L'Université de Bristol travaille au développement de la "batterie au diamant", qui utilise du carbone 14 radioactif provenant de blocs modérateurs en graphite usagés utilisés dans les installations nucléaires britanniques. Les blocs ont leurs couches externes grattées, où réside la majeure partie du carbone 14, et cela est utilisé pour créer des diamants artificiels qui libèrent des électrons lorsqu'ils se désintègrent. Ceux-ci sont ensuite enfermés dans une coque en carbone 12 non radioactif, pour empêcher le rayonnement de s'échapper dans l'atmosphère. Les électrons libérés lors de la désintégration bêta sont de faible énergie, donc seul un blindage mineur est nécessaire. On estime que de telles batteries pourraient fournir de l'ordre de 100 uW pendant des milliers d'années.

Un autre sous-produit majeur de l'industrie de l'énergie nucléaire est l'uranium appauvri. Il s'agit de l'uranium restant après le processus d'enrichissement nécessaire pour préparer le combustible à utiliser dans les réacteurs. Il se compose principalement d'uranium 238 non fissile et est encore quelque peu radioactif, bien que moins en raison de l'élimination de la majeure partie de l'uranium 235 au cours du processus d'enrichissement.

L'uranium appauvri possède plusieurs propriétés qui le rendent très attractif pour les applications militaires. Sa haute densité signifie qu'il constitue une bonne ogive pour les munitions antichars. Les munitions à l'uranium appauvri ont une excellente capacité de pénétration et sont capables de percer le blindage lourd des chars. Ceci est également facilité par leur nature auto-affûtante. Lorsqu'une ogive à l'uranium appauvri frappe une cible, elle se fracture d'une manière qui la rend tranchante, tandis que la chaleur de l'impact aide à enflammer le nuage résultant de particules d'uranium appauvri. Cela rend ces cartouches très efficaces dans de tels rôles, remplaçant souvent d'autres matériaux à haute densité comme le tungstène.

Il existe également d'autres applications pour l'uranium appauvri, en dehors de l'armement. Récemment, une nouvelle application a été trouvée pour l'uranium appauvri, dans le domaine du traitement chimique. Un groupe de chercheurs de l'Université du Sussex a créé un catalyseur utilisant ce matériau, qui aide à convertir l'éthylène en éthane. Alors que la conversion entre les deux produits chimiques n'est pas nouvelle, c'est une nouvelle application pour l'uranium appauvri.

Le stockage de grandes quantités d'uranium appauvri provenant du processus d'enrichissement est un problème permanent pour les gouvernements du monde entier. Pouvoir utiliser le matériau dans des processus industriels pourrait être une alternative viable au simple stockage dans des sites d'élimination ou à son tir dans des pays étrangers via des chars et des avions de guerre. Cependant, des précautions sont nécessaires pour s'assurer que le matériau légèrement radioactif ne cause pas de risques supplémentaires sur le lieu de travail ou de problèmes de santé.

Malheureusement, la réutilisation et le retraitement des déchets nucléaires posent des problèmes. Bon nombre de ces processus ouvrent la possibilité que des matières nucléaires soient volées ou détournées. Cela pose un risque de prolifération des armes nucléaires.

Par exemple, la quantité de plutonium nécessaire pour créer une arme nucléaire viable se mesure en dizaines de livres. Le retraitement étant opéré à l'échelle industrielle, il est possible que des quantités de ce matériau disparaissent sans être détectées. C'est un problème complexe, qui dépend des particularités exactes des isotopes et des processus. Les déchets nucléaires actuels des réacteurs à eau légère ne sont pas préoccupants, par exemple, car ils sont considérés comme trop radioactifs pour être facilement volés. Mais des technologies telles que le retraitement du combustible ont la possibilité de générer des matériaux de qualité militaire à partir du combustible usé, ce que de nombreux gouvernements cherchent à empêcher dans la mesure du possible.

De plus, certains affirment que les efforts de recyclage ou de réutilisation des déchets nucléaires enlèvent des ressources qui devraient être appliquées à la recherche d'une solution de stockage dédiée pour le matériau. De nombreux pays ont traîné les pieds dans l'établissement de décharges permanentes, y compris les États-Unis. Le combustible usé des réacteurs actuels restant dangereux pendant des milliers d'années, la recherche d'une solution de stockage à long terme sûre pour ces déchets existants devrait être une priorité.

Fondamentalement, la nature hautement radioactive et dangereuse des déchets nucléaires pose de nombreux défis aux gouvernements et aux industries qui cherchent à éliminer ces matières. Le statu quo actuel consiste en grande partie à le laisser s'accumuler pendant que la lutte de plusieurs décennies se poursuit pour savoir quoi faire avec la quantité toujours croissante de déchets nucléaires. Idéalement, les nouvelles technologies ouvriront des voies pour traiter le problème de manière propre et sûre, mais en attendant, des décisions politiques difficiles devront être prises.