Pourquoi la réduction des déchets classiques est-elle trop courte à Fukushima

Pendant des décennies, les installations nucléaires du monde entier ont mis à contribution un ensemble de techniques de réduction et de stabilisation du volume. Le compactage presse les déchets solides de faible et de moyenne activité dans des fûts, ce qui permet de réduire de 3 à 10 fois les rejets liquides. La cementation et la bituminisation immobilisent les déchets liquides mais ajoutent un poids important et augmentent le volume final emballé.

À Fukushima, ces technologies conventionnelles forment la base, mais leurs limites sont énormes. La compaction se heurte à un mélange hétérogène de métal torsadé, de béton, de milieux filtrants et de végétation souvent saturés d'eau salée. La cementation ajoute du volume à chaque précieux mètre cube de stockage. La vitrification est techniquement peu pratique pour l'immense inventaire des boues et des boues provenant des systèmes de traitement de l'eau, qui contiennent de fortes concentrations de sodium, de bore et de chlore qui dégradent la qualité du verre.

Changement de paradigme : réduction du volume de l'isotope

Au lieu de traiter les déchets comme une masse homogène, les chercheurs et les ingénieurs développent des processus qui abritent des isotopes radiologiquement significatifs et les isolent en une fraction concentrée. Le matériel en vrac, une fois dépouillé des principaux émetteurs gamma et bêta, peut être reclassifié et, dans certains cas, préparé pour être éliminé ou rejeté. Cette philosophie de «diviser et concentrer» sous-tend trois grandes catégories de technologies émergentes : la décontamination biologique, la séparation chimique avancée et le traitement à sec.

Décontamination biologique : exploitation des microorganismes et des plantes

Les méthodes biologiques exploitent l'affinité naturelle des bactéries, des champignons et des plantes pour des radionucléides spécifiques.Dans les essais en laboratoire et sur le terrain autour de Fukushima, des microorganismes tels que Bacillus[ et ont montré la capacité de biosorber, de bioaccumulation ou de biominéraliser le césium, le strontium et même les actinides traces. Les champignons mycorhiziens peuvent former des cristaux insolubles qui verrouillent le strontium en phases minérales stables. Une approche particulièrement prometteuse consiste à phytorémédier en utilisant des plantes hyperaccumulatrices comme les tournesols et l'amaranth, qui absorbent le césium du sol contaminé par leurs racines.

Des recherches menées par l'Agence japonaise de l'énergie atomique (JAEA) dans la préfecture de Fukushima ont montré que le sol contaminé par le césium-137 peut être traité sur place avec un minimum de perturbations mécaniques, réduisant ainsi le volume destiné à l'enfouissement profond par des facteurs de 10 à 50. La décontamination enzymatique et microbienne de l'eau progresse également. Des souches spécifiques peuvent précipiter le carbonate de strontium ou le phosphate d'uranyl, en éliminant efficacement les ions radioactifs solubles de grands volumes liquides.

Les principaux obstacles sont la maîtrise des processus, la cinétique relativement lente par rapport aux méthodes chimiques et la gestion soigneuse de la biomasse concentrée pour prévenir la recontamination. Des essais à long terme sur le terrain près du site de Fukushima Daiichi évaluent si les systèmes biologiques peuvent respecter de façon fiable les délais de déclassement.Les microorganismes génétiquement modifiés sont conçus pour une vitesse et une spécificité accrues, et les premiers résultats sont prometteurs.Pour un examen plus approfondi des mécanismes microbiens et des stratégies de graduation, la revue Frontiers in Microbiology fournit un aperçu complet des obstacles pratiques et des résultats des essais sur le terrain.

Séparation chimique avancée: découper les isotopes

Les technologies de séparation chimique sont sans doute les plus matures de l'ensemble d'outils innovants. Leur objectif est de dissoudre, de chélater ou de précipiter des radionucléides spécifiques, en concentrant le danger dans un volume minimal. Chez Fukushima, ce concept est le plus visible dans l'amélioration continue du Système de traitement avancé des liquides (ALPS), qui élimine déjà 62 radionucléides de l'eau contaminée, sauf le tritium.

Les adosorbants sélectifs tels que les analogues bleus prussiens (ferrocyanure de cuivre potassique), le molybdophosphate d'ammonium (AMP) et les résines modifiées par l'éther couronne présentent une grande affinité pour le césium ou le strontium même en présence de ces ions concurrents. Les cartouches contenant ces matériaux peuvent traiter des milliers de mètres cubes d'eau avant épuisement. En concevant des cartouches qui peuvent être décomposées thermiquement ou dépouillées chimiquement, les ingénieurs peuvent régénérer l'adsorbant et laisser derrière une petite boule de sel concentré de césium, réduisant ainsi le volume de déchets finals d'un facteur de 100 ou plus.

Dans les solutions caustiques à haute activité, les agents complexes comme les éthers de couronne ou les organophosphates peuvent tirer le strontium et le plutonium dans une phase organique. Ils sont ensuite réextractés en un volume aqueux minimal pour la vitrification ou la cémentation. L'adaptation de l'extraction de solvant à la chimie messeuse et variable des flux de déchets de Fukushima a nécessité une innovation majeure en génie, en particulier pour contrôler la formation en troisième phase et la dégradation des solvants par radiolyse.

Dans un cas de fusion à haute température, l'uranium, le plutonium et d'autres actinides peuvent être séparés des matériaux structurels, ce qui permet de recycler ou d'éliminer le métal en vrac comme déchet de faible activité. Bien qu'à l'échelle pilote, les méthodes électrochimiques ont démontré des facteurs de séparation dépassant 10 000, ce qui réduit considérablement le volume nécessitant une élimination géologique profonde. Un exemple notable dans le monde réel est le Kurion Mobile Processing System (plus tard acquis par Veolia), qui a utilisé des adsorbants avancés pour éliminer le strontium de l'eau-citerne, générant beaucoup moins de déchets secondaires que les précipitations conventionnelles.

Technologies de traitement à sec : Découper l'eau

Le traitement humide génère d'énormes volumes de déchets liquides secondaires qui nécessitent un traitement, fermant une boucle coûteuse. Les technologies de traitement à sec visent à volatiliser, fondre ou décomposer chimiquement la matrice des déchets sans ajouter d'eau ou de solvants, éliminant entièrement la production secondaire de déchets liquides.

La réduction du volume thermique sans incinération utilise la pyrolyse ou la gazéification contrôlée.En chauffant les déchets dans un environnement à faible teneur en oxygène, les composants organiques se décomposent en gaz synthétiques et en carbonacé, tandis que les radionucléides volatils – principalement le césium – sont capturés sur des filtres céramiques à haute température. L'omble de carbone résultant est un produit dense et inerte qui occupe une fraction du volume d'origine. Syngas peut être brûlé sur place pour fournir de la chaleur de procédé, ce qui rend le système économe en énergie et réduit la demande d'énergie auxiliaire.

L'extraction supercritique du CO2[ est un procédé sec sans solvant aux propriétés uniques. Dans son état supercritique, le CO2 se comporte à la fois comme un gaz et un liquide, pénétrant des solides poreux et dissolvant des contaminants organiques ciblés. Lorsqu'il est dopé avec des agents chélateurs fluorés (p. ex. bêta-dicétone), le CO2 supercritique peut extraire de l'uranium et des éléments transuraniques des débris de béton concassé ou de graphite. Après la décompression, le CO2 revient au gaz, laissant un complexe concentré de métal-chélate comme poudre sèche.

Le séchage par micro-ondes et par radiofréquences[ est une autre option sans eau adaptée spécifiquement aux boues, aux boues et aux gâteaux de filtres humides générés par les ALPS et autres systèmes de traitement de l'eau. Les micro-ondes pénètrent de façon uniforme dans le volume des déchets, évaporant l'eau à basse température et laissant un solide sec et friable qui peut être compacté en boulettes denses. La consommation d'énergie est inférieure au séchage thermique conventionnel parce que l'énergie est livrée directement aux molécules d'eau sans chauffer la matrice entière, et les radionucléides volatils restent piégés si la température reste inférieure à 400 °C. TEPCO a installé des sécheurs micro-ondes à l'échelle des bancs pour traiter les boues de coprecitate à partir du traitement ALPS; les premiers résultats montrent des réductions de masse de 60 à 80 % sans problèmes de gaz, ce qui représente un pas important vers l'avant dans la gestion de l'inventaire croissant des boues stockées.

Concepts hybrides émergents : Supercompaction et encapsulation de géopolymère

Bien que les supercompresseurs à haute pression exercent des forces supérieures à 2 000 tonnes, des fûts concassants, des cadres métalliques et des décombres de béton dans des rondelles plates qui sont emballées étroitement dans des conteneurs suremballage. Les supercompatibles mobiles permettent le traitement près du point de production des déchets, réduisant les risques de manutention et les distances de transport à l'intérieur de la limite de l'usine.

Pour l'immobilisation des rondelles compactées et autres déchets secondaires, le ciment traditionnel Portland est de plus en plus remplacé par des liants géopolymères fabriqués à partir de cendres volantes, de scories ou de metakaolin activés avec des solutions alcalines de silicate. Ces liants ont une empreinte carbone plus faible, résistent au lessivage et permettent d'accueillir des charges de déchets beaucoup plus élevées.

Comparaison des techniques : réduction du volume, coût et état de préparation

Chaque approche comporte son propre profil de facteur de réduction du volume, de production secondaire de déchets, de demande d'énergie et de niveau de préparation technologique. Les méthodes biologiques peuvent réduire le volume du sol par un facteur de 10 à 50, mais elles sont lentes et sensibles aux conditions du terrain, ce qui les rend idéales pour le polissage final plutôt que pour le traitement primaire. La séparation chimique avancée fournit des facteurs de 100 à 1 000 pour les flux liquides et peut traiter de gros débits, mais les adsorbants et solvants dépensés eux-mêmes nécessitent une gestion prudente en tant que déchets secondaires. La pyrolyse sèche permet de réduire le volume de 100:1 pour les déchets compatibles sans effluents liquides, mais le traitement des gaz non gazeux et la volatilité des radionucléides demeurent des préoccupations qui nécessitent des systèmes de filtration robustes.

Contexte réglementaire et confiance du public

Aucune nouvelle technologie de réduction de volume ne peut être déployée à Fukushima sans des examens rigoureux de la sûreté et de l'environnement. L'Autorité japonaise de régulation nucléaire exige que tout processus soit étayé par des données démontrant la stabilité à long terme des déchets traités et démontrant que les opérations n'augmentent pas le risque global pour les travailleurs ou l'environnement.

Les citoyens de la préfecture de Fukushima et des régions voisines veulent avoir l'assurance que la réduction du volume ne crée pas de nouveaux risques, tels que les rejets liquides ou la contamination atmosphérique. Le TEPCO et le gouvernement japonais ont adopté une politique de divulgation complète, tenant régulièrement des séances d'information techniques et des visites sur place qui expliquent la science qui sous-tend les technologies.

Collaboration internationale et transfert des connaissances

Le défi de déclassement de Fukushima a catalysé un réseau mondial de coopération. JAEA, TEPCO et le ministère japonais de l'économie, du commerce et de l'industrie ont établi un partenariat avec Frances CEA, l'autorité de déclassement nucléaire du Royaume-Uni et le département américain de l'énergie pour partager les données issues de programmes expérimentaux.

Les leçons apprises à Fukushima influencent déjà d'autres sites nucléaires existants dans le monde. Par exemple, l'extraction supercritique du CO2 prouvée sur des décombres de béton à la JAEA est en cours d'adaptation pour les déchets de graphite dans les réacteurs de Magnox au Royaume-Uni, où il existe le même problème de déchets encombrants et insolubles. De même, les techniques biologiques de décontamination des sols raffinées à Fukushima sont en cours d'évaluation dans la zone d'exclusion de Tchernobyl pour le traitement des terres contaminées.

Feuille de route pour l'avenir : du pilote au déploiement complet

La feuille de route de déclassement à moyen et long terme, mise à jour annuellement, comporte désormais des étapes explicites pour le déploiement des technologies de réduction du volume. D'ici 2028, la société vise à finaliser un module de traitement à sec normalisé qui peut traiter une grande partie des débris combustibles et fondus stockés dans des entrepôts sur place.

Le gouvernement japonais a alloué 22 milliards de yens (environ 147 millions de dollars) dans le budget supplémentaire de 2024, en particulier pour accélérer la R-D novatrice en matière de traitement des déchets, ce qui indique un engagement politique ferme à dépasser les méthodes classiques. En fin de compte, le succès sera mesuré non seulement en mètres cubes de déchets économisés mais aussi dans la réduction du fardeau pour les générations futures. En concentrant le risque sur un ensemble plus petit et plus maniable, le programme novateur de réduction du volume de Fukushima remodele la conversation mondiale sur ce qui est possible dans la gestion des déchets nucléaires.