La recherche mondiale d'énergie à faible intensité de carbone a renouvelé l'intérêt pour l'énergie nucléaire, mais le défi de la gestion des déchets radioactifs demeure un obstacle important.Le combustible nucléaire usé contient un mélange complexe de produits de fission et d'éléments transuraniques qui restent dangereux pendant des dizaines de milliers d'années.Bien que les dépôts géologiques profonds offrent une solution d'élimination à long terme, leur construction est coûteuse, politiquement contestée et limitée en capacité.Des approches novatrices axées sur la transmutation et la réduction des déchets visent à modifier la nature même des déchets nucléaires, à transformer les isotopes à vie longue en espèces stables ou à vie courte.

Comprendre les déchets nucléaires : types et dangers à long terme

Les déchets nucléaires produits par les réacteurs sont généralement classés comme des déchets de faible activité (LLW), des déchets de niveau intermédiaire (ILW) et des déchets de haute activité (HLW). Les déchets de haute activité sont principalement constitués de combustibles nucléaires usés qui ont été retirés du cœur du réacteur. Ils contiennent de l'uranium, du plutonium, des actinides mineurs (comme l'americium, le curium et le neptunium) et des produits de fission comme le technétium-99 et l'iode-129. La radiotoxicité à long terme des HLW est dominée par les petits actinides, qui ont une demi-vie allant de centaines à centaines de milliers d'années. Par exemple, l'americium-241 a une demi-vie de 432 ans, tandis que le curium-245 a une durée de 8 500 ans.

Transmutation: Conversion d'isotopes de longue durée en formulaires stables ou de plus courte durée

La transmutation consiste à transformer un élément ou un isotope en un autre par des réactions nucléaires, en général la capture de neutrons suivie d'une dégradation bêta ou d'une fission directe. L'objectif est de transformer des isotopes problématiques, tels que des actinides mineurs, en isotopes à demi-vie beaucoup plus courte ou en produits finals stables. Lorsqu'un neutron est absorbé par un actionnide mineur comme l'americium-241, l'isotope qui en résulte peut soit se fissiner (supprimer l'énergie et produire des produits de fission à vie plus courte) soit se décomposer vers une espèce à vie plus courte après d'autres captures.

Systèmes à accélérateur (SAD)

Un faisceau de protons à haute énergie frappe une cible de scallation de métaux lourds, généralement du plomb ou du tungstène, générant une cascade de neutrons. Ces neutrons provoquent alors des réactions de fission dans un ensemble sous-critique chargé de déchets nucléaires. Comme le noyau demeure sous-critique, la réaction en chaîne s'arrête immédiatement lorsque l'accélérateur est éteint, ce qui assure un degré élevé de sécurité. ADS peut efficacement transmuter des actinides mineurs même en l'absence d'un réacteur critique. Le projet phare pour le développement de l'ADS est l'installation MYRRHA (Réacteur de recherche multi-usages hYbrid pour applications de haute technologie) en Belgique, qui vise à démontrer la technologie ADS à une échelle significative.

MYRRHA fonctionnera avec un accélérateur de proton d'environ 600 MeV et un réacteur de plomb-bismuth eutectique refroidi pour les matériaux.

Réacteurs rapides pour la transmutation

Plusieurs réacteurs rapides de génération IV, tels que le réacteur rapide refroidi au sodium (SFR) et le réacteur rapide refroidi au plomb (LFR), intègrent des cycles de combustible dédiés pour brûler des actinides à longue durée. Le réacteur BN-800 en Russie a été utilisé pour des expériences initiales de transmutation d'actinides mineurs, et le projet ATRID[, maintenant annulé, était destiné à fournir une capacité d'irradiation rapide pour tester des combustibles avancés et des cibles de transmutation. Aux États-Unis, le réacteur VTR, bien qu'il soit en pause, peut aussi être configuré comme brûleurs qui consomment plus d'actinides qu'ils ne produisent, ce qui réduit efficacement les déchets.

Concepts de réacteur à sel fondu

Les réacteurs à sel fondu (MRS) utilisent un mélange de combustible liquide de matières fissiles et fertiles dissoutes dans un fluorure ou un sel de chlorure. La nature du fluide permet un traitement continu en ligne pour éliminer les produits de fission et les éléments transuraniques distincts pour le recyclage.Cette capacité rend les RSM particulièrement attrayants pour la transmutation des déchets, car la composition du combustible peut être ajustée en temps réel pour maximiser le brûlage des isotopes à longue durée de vie. Le [MOLTEN Salt Actinide Recycler and Transmuter] (MOSART) concept développé en Russie est axé sur une conception monofluide alimentée par des éléments transuraniques.

Réduction des déchets par le traitement avancé

La transmutation ne peut être efficace sans avoir d'abord séparé les isotopes cibles de la majeure partie du combustible usé. Les technologies de retraitement sont passées du procédé PUREX traditionnel, qui récupère l'uranium et le plutonium, à des méthodes plus avancées qui séparent également les petits actinides.

Pyrotraitement

Le traitement pyrotechnique est une méthode électrochimique non aqueuse qui traite le combustible nucléaire usé à des températures élevées (environ 500 °C) dans les électrolytes de sel fondu. Le combustible est haché, dissous dans un bain de sel fondu, puis l'uranium, le plutonium et les actinides mineurs sont déposés sélectivement sur des électrodes. La technique est particulièrement adaptée aux combustibles métalliques utilisés dans les réacteurs rapides et produit un volume de déchets beaucoup plus faible que le retraitement aqueux. Le traitement pyrotechnique a été largement développé au Argonne National Laboratory aux États-Unis dans le cadre du programme de réacteur rapide intégré. Il a également été étudié au Japon, en Corée du Sud et en Russie.

L'un des avantages est qu'il n'exige pas d'eau, ce qui réduit le risque de criticité et la production de déchets secondaires liquides.

Partitionnement et transmutation (P-T)

La stratégie P&T consiste à séparer chimiquement les radionucléides à longue durée de vie, en particulier les actinides mineurs, du combustible usé et à les convertir ensuite par irradiation neutronique dans un réacteur ou un SDA dédié. L'Union européenne a été un chef de file dans la recherche en P&T par des projets comme EUROPART[, ACSEPT[, et SANEX[ (Extraction sélective ActiNide). L'agence nationale française de gestion des déchets radioactifs ANDRA a intégré P&T dans la planification à long terme des déchets.

Recyclage Aqueux avancé

Parallèlement au traitement pyrotechnique, les améliorations au retraitement aqueux se poursuivent.Le procédé NUEX (Royaume-Uni) et COEX (France) modifient le procédé PUREX pour réduire les risques de prolifération en maintenant l'uranium et le plutonium ensemble. Pour la séparation des actinides mineurs, le procédé TALSPEAK[ (Trivalent Actinide Lanthanide Separation by Phosphorus-reagent Extraction from Aqueous Komplexes) et le procédé GANEX[ (Grouped Actinide Extraction) sont en cours de développement pour extraire tous les actinides ensemble, en contournant la séparation du plutonium pur. Ces méthodes utilisent des solvants organiques avec des agents chélateurs qui se lient sélectivement pour agir sur les lanthanides.

Difficultés rencontrées dans la mise en œuvre

] les questions de réglementation et de délivrance de licences[: les règlements nucléaires actuels ont été conçus pour les réacteurs conventionnels et les cycles de combustible. L'autorisation d'un système sous-critique à moteur d'accélérateur ou d'un réacteur à fusion à combustible liquide présente de nouvelles questions de sûreté et d'autorisation que les régulateurs doivent aborder.

Perspectives d'avenir et collaboration internationale

Plusieurs pays — la France, le Japon, la Russie, la Belgique et les États-Unis — maintiennent des programmes de recherche actifs en matière de partitionnement et de transmutation. Le projet de l'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) coordonne des projets de collaboration sur les cycles avancés de combustible et les meilleures pratiques de gestion des déchets. Le projet MYRRHA en Belgique vise à démarrer ses activités à la fin des années 2030 et pourrait servir d'installation pilote pour la transmutation ADS. En Russie, le projet Proryv (Breakthrough) vise à démontrer un cycle fermé de combustible avec des réacteurs rapides d'ici 2030. Entre-temps, les recherches sur les réacteurs à sel fondu s'accélèrent au Canada, en Chine et au Royaume-Uni, avec plusieurs startups et laboratoires nationaux qui poursuivent des projets de fusion de sel pour la combustion des déchets.

L'approche de déchets à énergie, qui permet de traiter le combustible usé non pas comme une responsabilité, mais comme une ressource.En extrayant et en brûlant les matières fissiles et les transuraniques restantes, un cycle de combustible fermé pourrait extraire 30 à 50 fois plus d'énergie par unité d'uranium que les cycles actuels une fois par cycle. Cette perspective s'harmonise avec les objectifs à long terme de l'énergie nucléaire durable.

Conclusion

Les innovations dans la transmutation et la réduction des déchets de réacteurs offrent une voie convaincante pour résoudre l'un des défis les plus persistants de l'énergie nucléaire.Les techniques telles que les systèmes à accélérateur, les réacteurs rapides, les réacteurs à sel fondu et les retraitement avancés peuvent considérablement réduire le volume et la radiotoxicité des déchets de haute activité, ce qui pourrait réduire le temps de stockage requis de centaines de millénaires à des siècles. Bien que des obstacles techniques et économiques subsistent, la recherche et la collaboration internationale en cours continuent de faire progresser ces technologies vers la démonstration et le déploiement éventuel.