Mesurer les neutrons pour réduire les déchets nucléaires

Alors que l’énergie nucléaire est considérée comme un moyen de réduire la dépendance aux combustibles fossiles, la gestion des déchets radioactifs reste un défi majeur. Des éléments radioactifs peuvent être transformés en formes plus stables, mais ce processus n’est pas encore viable à grande échelle.

Une nouvelle recherche dirigée par des physiciens de l’Université de Tokyo révèle une méthode plus précise pour mesurer, prédire et modéliser une partie cruciale de ce processus, ce qui pourrait conduire à l’amélioration des installations de traitement des déchets nucléaires et à de nouvelles théories sur la formation des éléments lourds dans l’univers.

Le contexte historique et les enjeux de l’énergie nucléaire au Japon

Le mot «nucléaire» peut être un déclencheur pour certains, et cela est compréhensible au Japon, où les bombardements atomiques et la catastrophe de Fukushima sont des moments clés de son histoire moderne. Malgré cela, l’énergie nucléaire est considérée comme un élément essentiel pour décarboner le secteur énergétique, en particulier dans un pays où l’espace pour les énergies renouvelables est limité. Les chercheurs travaillent donc activement pour améliorer la sécurité, l’efficacité et d’autres aspects liés à l’énergie nucléaire.

L’associé professeur Nobuaki Imai du Centre d’études nucléaires de l’Université de Tokyo et ses collègues pensent pouvoir contribuer à l’amélioration d’un aspect clé de l’énergie nucléaire : le traitement des déchets.

Transmutation : alternative pour la gestion des déchets nucléaires

La transmutation est l’opposé de la décroissance nucléaire ; au lieu qu’un élément se désintègre et libère des radiations, un neutron peut être ajouté à un élément instable, le transformant en une version légèrement plus lourde de lui-même.

Selon la substance initiale, cette nouvelle forme peut être suffisamment stable pour être considérée comme sûre. Le problème est que, bien que ce processus soit connu depuis un certain temps, il n’a pas été possible de le quantifier avec suffisamment de précision pour le faire passer à l’étape suivante et éventuellement produire des installations de gestion des déchets nucléaires de nouvelle génération.

« L’idée est venue d’une source surprenante : les étoiles à neutrons en collision, spécifiquement lors de la fusion d’étoiles à neutrons », a déclaré Nobuaki Imai. « Suite aux observations récentes des ondes gravitationnelles émanant de la fusion d’étoiles à neutrons, les chercheurs ont pu mieux comprendre la façon dont les neutrons interagissent et leur capacité à modifier d’autres éléments. Sur la base de cela, nous avons utilisé une gamme d’instruments pour affiner notre concentration sur la façon dont l’élément sélénium, un déchet nucléaire courant, se comporte lorsqu’il est bombardé par des neutrons. Notre technique permet de prédire comment les matériaux absorbent les neutrons et subissent une transmutation. Cette connaissance peut contribuer aux conceptions d’installations de transmutation des déchets nucléaires. »

Défis pour la recherche sur la transmutation nucléaire

Il est difficile pour les chercheurs de faire ces observations ; en fait, ils ne sont pas en mesure d’observer directement des actes de transmutation. Au lieu de cela, l’équipe peut observer la quantité d’un échantillon qui ne se transmute pas, et en prenant des mesures pour savoir que la transmutation a en effet eu lieu, ils peuvent estimer, bien qu’avec une grande précision, la quantité d’échantillon qui s’est transmute.

« Nous sommes convaincus que nos mesures reflètent avec précision le taux réel de transmutation de sélénium instable en une forme plus stable », a ajouté Nobuaki Imai. « Nous prévoyons maintenant de mesurer cela pour d’autres déchets nucléaires. Espérons que cette connaissance se combinera avec d’autres domaines nécessaires pour réaliser des installations de traitement des déchets nucléaires, et nous pourrions voir ces installations dans les décennies à venir. Bien que nos objectifs soient d’améliorer la sécurité nucléaire, je trouve intéressant qu’il y ait une relation bidirectionnelle entre cette recherche et l’astrophysique. Nous avons été inspirés par les étoiles à neutrons en collision, et notre recherche peut influencer la façon dont les astrophysiciens recherchent des signes de synthèse. »

Légende illustration : Simulation de la collision d’une étoile à neutrons. La détection d’ondes gravitationnelles provenant de la fusion d’étoiles à neutrons a incité les chercheurs sur Terre à prédire comment les neutrons interagissent avec les noyaux atomiques. ©2024 Goddard Space Flight Center de la NASA/CI Lab CC-BY-ND

N. Imai, M. Dozono, S. Michimasa, et al., « Neutron capture reaction cross-section of 79Se through the 79Se(d,p) reaction in inverse kinematics, » Physics Letters B: February 16, 2024, doi:10.1016/j.physletb.2024.138470.