Des déchets aux eaux : Libérer l’énergie des combustibles nucléaires usés

Le laboratoire national d’Argonne et SHINE Technologies recherchent des moyens de recycler en toute sécurité le combustible nucléaire usé

Les réacteurs nucléaires à travers les États-Unis produisent du combustible usé, mais plus de 95 % de ce combustible recèle encore un potentiel énergétique précieux. En appliquant des procédés chimiques avancés et de nouvelles technologies, les scientifiques peuvent recycler ce matériau pour produire davantage d’énergie et réduire considérablement les déchets radioactifs à long terme. Aujourd’hui, les chercheurs s’efforcent de transformer ce potentiel en une solution pratique et évolutive.

Les scientifiques du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE) collaborent avec SHINE Technologies, une entreprise basée dans le Wisconsin, afin de concevoir un nouveau procédé chimique permettant de séparer les matériaux valorisables du combustible nucléaire usé. Ce procédé utilise des équipements innovants, notamment des contacteurs centrifuges (des dispositifs qui tournent pour séparer efficacement les liquides mélangés), dans le but de créer une méthode de recyclage plus sûre, plus efficace et prête à être adoptée par l’industrie.

L’objectif du projet est de créer une méthode de recyclage que l’industrie pourra adopter de manière rentable et évolutive.

« Il est essentiel de faire le lien entre la recherche scientifique et la mise en œuvre industrielle pour surmonter des défis complexes », a déclaré Candido Pereira, directeur adjoint de la division Technologies chimiques et du cycle du combustible (CFCT) d’Argonne. « Notre équipe s’engage à mettre à profit l’expertise, les technologies et les capacités de recherche d’Argonne pour aider le secteur privé à trouver des solutions de classe mondiale. »

Un défi complexe

Le recyclage du combustible nucléaire usé est un défi. Le combustible est hautement radioactif et génère de la chaleur, ce qui signifie qu’il doit être stocké et refroidi en toute sécurité avant de pouvoir être manipulé ou traité. Les installations qui recyclent le combustible ont besoin de systèmes pour protéger les travailleurs contre les radiations et gérer les petites quantités de matières radioactives restantes.

Un autre défi consiste à protéger les matières nucléaires tout au long du processus. Qu’il soit frais, stocké ou recyclé, le combustible nucléaire doit être protégé contre tout accès non autorisé ou toute utilisation abusive. Les scientifiques appliquent les principes de « garanties par conception » dès le début du processus afin de prévenir le risque de détournement à des fins non pacifiques. Des systèmes de sécurité et de surveillance solides sont essentiels pour la sécurité nationale et la conformité internationale.

Outre les préoccupations techniques et de sécurité, le processus de recyclage doit également être viable sur le plan économique. Les matières récupérées doivent trouver des acheteurs et des utilisations pratiques. Certaines entreprises de services publics pourraient être intéressées par l’utilisation de combustible recyclé dans des réacteurs nucléaires avancés. D’autres sous-produits précieux pourraient être utilisés dans l’exploration spatiale ou le diagnostic médical. Par exemple, les radio-isotopes récupérés lors du recyclage peuvent contribuer à alimenter des missions spatiales lointaines ou être utilisés dans des tests médicaux vitaux. Si ces matières font l’objet d’une demande commerciale, la construction d’installations de recyclage devient plus rentable.

Le développement d’un processus efficace nécessite également de la prévoyance. Les scientifiques doivent examiner comment les différentes conceptions de réacteurs utilisent le combustible et de quels matériaux les futurs réacteurs auront besoin. Les experts des laboratoires nationaux tels que celui d’Argonne sont particulièrement qualifiés pour faire ces prévisions et adapter les méthodes de recyclage en conséquence.

L’expertise en action

Peter Tkac, chimiste nucléaire et directeur du groupe de radiochimie de la division CFCT d’Argonne, dirige l’équipe qui travaille sur ce défi.

« Il est très important que nous optimisions les étapes de séparation et que nous développions un processus qui ne produise pas de flux de plutonium pur », a ajouté M. Tkac, soulignant les risques et les contraintes liés à la sécurisation, au stockage ou à l’élimination du plutonium pur. « Dans notre laboratoire, nous sommes en mesure de tester les processus de séparation dans des conditions qui reproduisent les environnements à forte radiation auxquels serait confrontée une installation de recyclage. »

L’équipe de M. Tkac utilise un accélérateur d’électrons Van de Graaff à Argonne pour simuler le comportement du combustible nucléaire pendant le traitement. Un accélérateur Van de Graaff est un type d’accélérateur de particules qui utilise l’électricité statique (un peu comme la charge qui s’accumule lorsque vous frottez un ballon sur vos cheveux) pour générer une haute tension. Cette tension envoie des particules atomiques à grande vitesse vers une cible. Lorsque les particules frappent la cible, elles créent de petites quantités de radioactivité. Cela permet aux scientifiques d’imiter les effets des rayonnements de manière contrôlée, ce qui les aide à étudier comment les produits chimiques utilisés dans le recyclage peuvent se décomposer au fil du temps. Ils ne nécessitent pas de blindage lourd comme celui requis pour travailler avec du combustible nucléaire usé.

Ces tests à l’échelle du laboratoire aident SHINE et d’autres partenaires à prendre des décisions éclairées sur la manière de développer cette technologie.

« Dans le passé, SHINE a collaboré avec Argonne sur des processus visant à améliorer la production d’isotopes médicaux thérapeutiques et diagnostiques », a indiqué Ross Radel, directeur technique de SHINE. « Les progrès qui en résultent sauvent des vies, tant au niveau national qu’international, et nous sommes convaincus qu’une collaboration similaire visant à réduire les déchets grâce au recyclage du combustible nucléaire usé permettra de lever un obstacle majeur à l’expansion de l’énergie nucléaire et de garantir un approvisionnement énergétique abondant pour l’avenir. »

M. Tkac et son équipe travaillent avec SHINE pour tester des équipements qui pourraient être utilisés dans des installations à grande échelle. L’une des technologies clés est celle des contacteurs centrifuges d’Argonne. Ces dispositifs font tourner rapidement deux liquides mélangés, les séparant en fonction de leur densité. Cette technologie est adaptable : les chercheurs utilisent des imprimantes 3D pour fabriquer des pièces sur mesure, ce qui permet de tester rapidement et à moindre coût différents modèles. Les prototypes sont testés dans des conditions chimiques réelles et produisent un minimum de déchets radioactifs, ce qui les rend idéaux pour les premières phases de développement avant la mise à l’échelle industrielle.

« La technologie des contacteurs centrifuges conçue par Argonne permet de séparer des mélanges très complexes de manière efficace, efficiente et avec un faible encombrement », explique M. Tkac. « Nous avons une bonne stratégie pour le recyclage du combustible nucléaire et l’approche adoptée dépendra des technologies de réacteurs nucléaires choisies pour la production d’énergie. »

Alors que la demande de notre pays en électricité propre et fiable continue d’augmenter, nous assistons à un regain d’intérêt pour l’énergie nucléaire. S’il est encore trop tôt pour dire quels modèles de réacteurs finiront par s’imposer, il est clair que l’énergie nucléaire réapparaît comme une solution fiable pour relever les défis énergétiques du XXIe siècle.

« Le recyclage du combustible nucléaire usé est un processus très complexe qui dépend beaucoup des technologies qui vont s’imposer et de la demande en électricité », a conclu M. Tkac. « Nous devrons avoir une bonne stratégie. »

Source : Argonne