Bien que les centrales nucléaires représentent une source d’énergie extrêmement utile, la génération de produits radioactifs et leur traitement posent actuellement un problème que les gouvernements tentent au mieux de résoudre. Non seulement les produits issus de la fission peuvent rester radioactifs pendant des milliers d’années, mais la prolifération (séparation du plutonium des autres produits à des fins possiblement militaires) est également un problème. Récemment, des chercheurs ont mis au point une méthode cristallisant les éléments lourds énergétiques avec l’uranium, y compris le plutonium, les séparant des véritables déchets non utilisables. Les éléments ainsi cristallisés, en plus d’éviter la prolifération, peuvent ensuite être de nouveau utilisés pour produire de l’énergie.

Un réacteur nucléaire typique n’utilise qu’une petite fraction de ses barres de combustible pour produire de l’énergie avant que la réaction génératrice d’énergie ne se termine naturellement. Ce qui reste est un assortiment d’éléments radioactifs, y compris du combustible non utilisé, qui sont éliminés comme déchets nucléaires aux États-Unis. Bien que certains éléments recyclés à partir de déchets puissent être utilisés pour alimenter de nouvelles générations de réacteurs nucléaires, l’extraction du combustible restant est un défi permanent.

Des chercheurs en ingénierie de la Texas A&M University ont conçu une approche simple pour séparer les différents composants des déchets nucléaires. La réaction chimique en une étape, décrite dans la revue Industrial & Engineering Chemistry Research, se traduit par la formation de cristaux contenant tous les éléments combustibles nucléaires restants répartis uniformément. Les chercheurs ont également noté que la simplicité de leur approche de recyclage rend la traduction du laboratoire à l’industrie possible.

« Notre stratégie de recyclage peut être facilement intégrée dans un schéma chimique pour une mise en œuvre à l’échelle industrielle. En d’autres termes, la réaction peut être répétée plusieurs fois pour maximiser le rendement de récupération du combustible et réduire davantage les déchets nucléaires radioactifs », déclare Johnathan Burns, chercheur au Texas A&M Engineering Experiment Station.

Fission nucléaire : le problème de la production d’éléments lourds et de déchets radioactifs

La base de la production d’énergie dans les réacteurs nucléaires est la fission thermonucléaire. Dans cette réaction, un noyau lourd, généralement de l’uranium, lorsqu’il est frappé par des particules subatomiques appelées neutrons, devient instable et se sépare en éléments plus petits et plus légers. Cependant, l’uranium peut absorber les neutrons et s’alourdir progressivement pour former des éléments comme le neptunium, le plutonium et l’américium, avant de se diviser à nouveau et de libérer de l’énergie.

Au fil du temps, ces réactions de fission entraînent une accumulation d’éléments plus légers dans le réacteur nucléaire. Mais environ la moitié de ces produits de fission sont considérés comme des poisons neutroniques — ils absorbent également les neutrons tout comme le combustible nucléaire irradié, en laissant moins pour la réaction de fission, arrêtant finalement la production d’énergie.

reaction fission

Après chaque collision d’un neutron avec un noyau d’uranium, des produits de fission sont créés. En outre, l’uranium peut, en absorbant des neutrons, se transformer en éléments lourds comme le plutonium ou le neptunium. Les produits de fission et ces éléments lourds sont considérés comme des déchets nucléaires. Crédits : Marilyn Gallagher

Par conséquent, les barres de combustible irradié contiennent des produits de fission, des restes d’uranium et de petites quantités de plutonium, de neptunium et d’américium. Actuellement, ces objets sont collectivement considérés comme des déchets nucléaires aux États-Unis et sont destinés à être placés dans des dépôts souterrains en raison de leur forte radioactivité.

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« Les déchets nucléaires sont un problème à deux volets. Premièrement, près de 95% du matériau de départ du combustible est laissé inutilisé, et deuxièmement, les déchets que nous produisons contiennent des éléments radioactifs à longue durée de vie. Le neptunium et l’américium, par exemple, peuvent persister et rayonner jusqu’à des centaines de milliers d’années », explique Burns.

Séparer les éléments lourds utilisables des déchets nucléaires

Les physiciens ont réussi à séparer l’uranium, le plutonium et le neptunium. Cependant, ces méthodes ont été très complexes et ont eu un succès limité dans la séparation de l’américium. En outre, Burns indique que le Département américain de l’énergie exige que la stratégie de recyclage soit résistante à la prolifération, ce qui signifie que le plutonium, qui peut être utilisé dans les armes, ne doit jamais être séparé des autres éléments du combustible nucléaire pendant le processus de recyclage.

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Pour répondre aux besoins non satisfaits du recyclage des déchets nucléaires, les auteurs ont recherché s’il existait une simple réaction chimique qui pourrait séparer tous les éléments chimiques souhaitables du combustible nucléaire irradié. Des études antérieures ont montré qu’à température ambiante, l’uranium forme des cristaux dans l’acide nitrique fort. Au sein de ces cristaux, les atomes d’uranium sont disposés dans un profil unique — un atome d’uranium central est pris en sandwich entre deux atomes d’oxygène de chaque côté en partageant six électrons avec chaque atome d’oxygène.

« Nous avons immédiatement réalisé que cette structure cristalline pouvait être un moyen de séparer le plutonium, le neptunium et l’américium puisque tous ces éléments lourds appartiennent à la même famille que l’uranium ». Les chercheurs ont émis l’hypothèse que si le plutonium, le neptunium et l’américium supposaient une structure de liaison similaire avec l’oxygène comme l’uranium, alors ces éléments s’intégreraient dans le cristal d’uranium.

Des cristaux de combustibles nucléaires réutilisables

Pour leurs expériences, ils ont préparé une solution de substitution d’uranium, de plutonium, de neptunium et d’américium dans de l’acide nitrique hautement concentré à 60-90 °C pour imiter la dissolution d’une véritable barre combustible dans l’acide fort. Ils ont découvert que lorsque la solution a atteint la température ambiante, comme prévu, l’uranium, le neptunium, le plutonium et l’américium se sont séparés de la solution ensemble, se répartissant uniformément dans les cristaux.

cristaux combustibles

La réaction chimique permet de cristalliser l’uranium (jaune) avec d’autres éléments lourds (vert) afin de réutiliser ces cristaux comme combustibles. Crédits : Jeffrey D. Einkauf & Jonathan D. Burns

Burns note que ce processus simplifié en une seule étape est également résistant à la prolifération puisque le plutonium n’est pas isolé mais incorporé dans les cristaux d’uranium. « L’idée est que le combustible généré par notre réaction chimique peut être utilisé dans les générations futures de réacteurs, qui brûleraient non seulement de l’uranium comme la plupart des réacteurs actuels, mais également d’autres éléments lourds tels que le neptunium, le plutonium et l’américium ».

« En plus de s’attaquer au problème du recyclage du combustible et de réduire le risque de prolifération, notre stratégie réduira considérablement les déchets nucléaires aux seuls produits de fission dont la radioactivité ne persiste que des centaines plutôt que des milliers d’années », conclut Burns.

Sources : Industrial & Engineering Chemistry Research

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