Deux cent douze millions de litres. C’est la quantité de déchets radioactifs laissés sur le site de Hanford aux USA à la suite de la mission secrète du gouvernement pour fournir le plutonium pour les premières armes atomiques du monde et la Guerre Froide qui a suivi. Aujourd’hui, le site de Hanford est reconnu comme l’un des défis environnementaux les plus techniquement complexes au monde.
« La quantité de déchets hérités qui doit être traitée et le coût de cette opération sont astronomiques. C’est une énorme somme d’argent et tant que ce problème ne sera pas résolu, nous devrons continuer à surveiller les réservoirs », a indiqué Reid Peterson, ingénieur chimiste au Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). Peterson a passé près de trois décennies à travailler sur les problèmes de déchets de réservoir pour les sites du Bureau de gestion de l’environnement du Département de l’énergie (DOE).
Il a participé à une réponse nationale pour contrôler les éructations de gaz benzène dans un réservoir de déchets du site de la rivière Savannah pour éviter qu’elles n’atteignent des limites inflammables. Il a aidé à développer différentes techniques de séparation chimique. Mais parmi ses nombreuses contributions au défi du nettoyage de ces déchets radioactifs chimiquement complexes, un effort se distingue des autres : la capture du césium-137.
La capture du césium-137
Le césium-137 est principalement fabriqué par l’homme. On le trouve en grandes quantités dans les déchets nucléaires car c’est un sous-produit de la fabrication du plutonium, une étape nécessaire dans la production d’armes nucléaires. Les scientifiques ont découvert comment stocker en toute sécurité ces déchets radioactifs dans du verre, mais avant cela, une partie des déchets liquides du réservoir doit être traitée pour éliminer la plupart du césium-137.
C’est parce que le type de rayonnement gamma qu’il émet – une énergie supérieure aux rayons X – peut pénétrer à travers le corps humain et même à travers l’acier, ce qui le rend trop dangereux pour les travailleurs qui exploitent et entretiennent la technologie de traitement utilisée pour fabriquer du verre à faible activité. C’est le défi que Reid Peterson relève depuis plus d’une décennie.
Aujourd’hui, avec le soutien de la recherche du PNNL, le personnel de Hanford a retiré le césium de plus de 2,6 millions de litre de déchets de réservoir – une étape significative dans les progrès du nettoyage à Hanford.
L’évolution de la technologie d’élimination du césium
En 2008, Reid Peterson et d’autres chercheurs du PNNL ont réussi à démontrer dans un projet pilote qu’ils pouvaient éliminer le césium à l’aide d’un système placé à côté d’un réservoir de déchets nucléaires. Brancher un système d’élimination directement sur un seul réservoir s’est avéré être une approche rentable. La démonstration s’est avérée importante lorsque, trois ans plus tard, un tremblement de terre et le tsunami qui en a résulté ont provoqué une fusion nucléaire à la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi au Japon. La technologie d’élimination du césium a dû être accélérée et déployée rapidement en réponse à l’accident.
« Quelques jours après l’événement, je me suis rendu à DC pour faire une revue de la technologie qui devrait être utilisée », a indiqué l’ingénieur. « Je suis allé plusieurs fois à Fukushima pour examiner leurs technologies d’élimination du césium. Nous passions devant les réacteurs qui avaient explosé et mon dosimètre sonnait alors que nous passions parce qu’il y avait tellement de radiations. »
L’équipe a reçu un prix du secrétaire du DOE en 2011 pour cette réponse. Les efforts de nettoyage de Fukushima ont servi de catalyseur pour le déploiement de systèmes similaires sur le site de la rivière Savannah et finalement à Hanford. En temps réel, le monde voyait l’efficacité de la technologie.
L’élimination du césium, 19 litres par minute
Peterson est le chef de projet qui a fait passer la technologie d’élimination du césium de l’échelle du banc d’essai à la démonstration en hauteur, donnant ainsi à l’opérateur du parc de stockage la confiance nécessaire pour procéder à des opérations à grande échelle. Sur le site de Hanford, cette technologie est appelée système TSCR (Tank-Side Cesium Removal).
Le TSCR prétraite les déchets dans un système construit à l’intérieur d’un conteneur d’expédition, où des colonnes d’acier sont placées à l’intérieur avec un chariot élévateur. Les déchets du réservoir passent par un filtre et s’écoulent dans une colonne. À l’intérieur de la colonne se trouve un support d’échange d’ions, composé d’un mélange de silice et de titane comme principaux ingrédients. Le support d’échange d’ions ressemble à de petites perles blanches et bien qu’elles soient petites, elles ont un pouvoir puissant – capturer le césium.
« Ce truc adore le césium », a ajouté Reid Peterson à propos du support d’échange d’ions. « Lorsque le liquide traverse le filtre et entre dans la colonne, le support absorbe la plupart de celui-ci. » Il s’agit d’un équilibre délicat pour obtenir la bonne vitesse d’écoulement du liquide afin que le support ait suffisamment de temps pour absorber le césium. Les scientifiques du PNNL imitent le TSCR à une échelle plus petite dans une configuration de laboratoire spéciale sur le site de Hanford appelée Plateforme d’essai de déchets radioactifs.
« Avec la Plateforme d’essai de déchets radioactifs, nous savons avec certitude que le TSCR fonctionne comme il se doit parce que nous avons toutes ces données de laboratoire qui correspondent parfaitement aux performances du système », a-t-il déclaré. Une fois la colonne remplie, le système est mis en pause et la colonne est remplacée par une autre. Le système TSCR de Hanford fonctionne depuis janvier 2022. Il peut fonctionner 24/7 à un débit de 19 litres de déchets prétraités par minute.
Du liquide radioactif au verre stable
Le TSCR est la première étape de l’objectif plus large de stabiliser les déchets liquides dans le verre – littéralement en le faisant partie de la structure du verre – en utilisant un processus appelé vitrification. Le personnel de Hanford utilisera la technologie de vitrification pour mélanger les déchets prétraités avec des matériaux formant du verre, les chauffer à plus de 1150°C dans un four à haute température, et verser le verre en fusion dans de grands récipients en acier où il refroidit et se solidifie pour une élimination à long terme.
« Avant le démarrage de l’usine de vitrification de Hanford, 800 000 gallons de déchets de réservoir doivent être prétraités et prêts à être utilisés », a précisé Reid Peterson. Le prétraitement est une étape vitale pour deux raisons principales : la sécurité et le coût. « Nous voulons pouvoir effectuer une maintenance de contact sur l’équipement au lieu de devoir tout faire à distance », a t-il ajouté. « Sans l’élimination préalable du césium, il faudrait avoir un mur de protection en béton de presque 2 mètres d’épaisseur et tout le concept de conception devrait changer, ce qui entraînerait des coûts plus élevés. »
En synthèse
Le site de Hanford, officiellement appelé l’usine de traitement et d’immobilisation des déchets, devrait commencer à fonctionner en 2025. Bien que plus de 697 000 gallons soit une étape majeure, ce n’est qu’une petite partie des déchets qui attendent encore d’être prétraités. Un projet de suivi pourrait éventuellement accélérer le processus de prétraitement en portant le TSRC à une échelle beaucoup plus grande.
« J’ai commencé cette carrière il y a 29 ans et je m’y suis tenu parce que c’est un problème majeur à résoudre », a déclaré Peterson, qui a récemment été honoré pour son dévouement à l’ingénierie chimique par la division d’ingénierie nucléaire de l’AIChE avec le prix Robert E. Wilson. « Je reçois une note chaque jour avec le nombre de gallons que le TSCR a traités », a-t-il déclaré. « Pouvoir soutenir quelque chose qui est en marche – et qui fonctionne efficacement – donne l’impression que nous faisons des progrès vraiment importants. »
Pour une meilleure compréhension
1. Qu’est-ce que le site de Hanford et pourquoi est-il important ?
Le site de Hanford est un site historique lié à la production de plutonium pour les premières armes atomiques et la Guerre Froide. Aujourd’hui, il représente l’un des défis environnementaux les plus complexes au monde, avec 56 millions de gallons (ou environ 212 millions de litre) de déchets radioactifs à traiter.
2. Quel est le rôle du césium-137 dans les déchets radioactifs ?
Le césium-137 est un sous-produit de la fabrication du plutonium et se trouve en grandes quantités dans les déchets nucléaires. Il émet un rayonnement gamma dangereux qui peut traverser le corps humain et l’acier, rendant nécessaire son élimination avant le traitement des déchets.
3. Comment fonctionne le système de retrait du césium côté réservoir (TSCR) ?
Le TSCR prétraite les déchets en faisant passer le liquide à travers un filtre et une colonne contenant un support d’échange d’ions qui capture le césium. Une fois la colonne remplie, elle est remplacée par une autre. Le système peut traiter 5 gallons (ou 19 litres) de déchets prétraités par minute.
4. Quel est l’objectif final du traitement des déchets radioactifs ?
L’objectif est de stabiliser les déchets liquides dans du verre par un processus appelé vitrification. Les déchets prétraités sont mélangés avec des matériaux formant du verre, chauffés à plus de 1150°C et versés dans des récipients en acier pour refroidir et se solidifier en vue d’une élimination à long terme.
5. Quels sont les progrès réalisés dans le traitement des déchets radioactifs à Hanford
À ce jour, plus de 697 000 gallons (ou 2,6 millions de litres) de déchets de réservoir ont été traités pour éliminer le césium. L’usine de traitement et d’immobilisation des déchets de Hanford devrait commencer à fonctionner en 2025, avec l’objectif de prétraiter 800 000 gallons (ou 3 millions de litre) de déchets avant son démarrage.
Principaux enseignements
| Enseignement | Description |
|---|---|
| Hanford | Site historique lié à la production de plutonium, avec 56 millions de gallons de déchets radioactifs à traiter. |
| Césium-137 | Sous-produit de la fabrication du plutonium, dangereux en raison de son rayonnement gamma. |
| TSCR | Système de retrait du césium côté réservoir, capable de traiter 5 gallons de déchets prétraités par minute. |
| Vitrification | Processus de stabilisation des déchets liquides dans du verre pour une élimination à long terme. |
| Progrès | Plus de 697 000 gallons de déchets de réservoir traités à Hanford pour éliminer le césium. |
| Objectif | Prétraiter 800 000 gallons de déchets avant le démarrage de l’usine de traitement et d’immobilisation des déchets de Hanford en 2025. |
| Fukushima | L’accident de Fukushima a accéléré le développement et le déploiement de la technologie d’élimination du césium. |
| Reid Peterson | Ingénieur chimiste dévoué depuis 29 ans à la résolution du problème des déchets radioactifs. |
Références
Légende illustration principale : Amy Westesen, chercheuse au PNNL, tient le silicotitanate cristallin, un média échangeur d’ions utilisé dans le système Tank-Side Cesium Removal (TSCR) pour capturer le césium-137 radioactif contenu dans les déchets des réservoirs du site de Hanford. Crédit : Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory
Article adapté au contenu de l’auteure : Jesenia Hernandez / PNNL
[ Rédaction ]
