L’utilisation des déchets nucléaires pour la production d’énergie apparaît comme une percée potentielle à la fois dans la gestion des déchets et dans la production d’énergie durable. La technologie utilisée pour bombarder les déchets avec des neutrons permet d’extraire de l’énergie du combustible nucléaire usé tout en réduisant considérablement sa radioactivité et sa demi-vie. Une nouvelle étude réalisée par l’agence fédérale allemande pour les innovations de rupture (SPRIND) et l’opérateur TRANSMUTEX propose une voie convaincante pour l’utilisation de cette technologie dans les centrales nucléaires allemandes déclassées. Toutefois, sa mise en œuvre pratique se heurte à des obstacles technologiques, économiques et réglementaires, notamment en ce qui concerne le contrôle et les garanties de l’Agence internationale de l’énergie atomique des Nations unies.
Lukas Barcherini Peter
25 mars 2025
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Réduire la demi-vie et la radioactivité du combustible nucléaire usé et extraire une énergie thermique utilisable du processus, tels sont les objectifs d’une nouvelle étude réalisée par l’Agence fédérale allemande pour les innovations de rupture (SPRIND), en collaboration avec l’exploitant suisse de l’installation TRANSMUTEX. L’étude propose d’utiliser la technologie ADS (Accelerator-Driven System) pour la transmutation nucléaire, un processus qui bombarde les isotopes radioactifs avec des neutrons, les transmutant ou les transformant en de nouveaux matériaux moins dangereux. Le processus accélère fortement la désintégration des éléments radioactifs, car les déchets, en absorbant un neutron, deviennent plus instables et se désintègrent successivement en deux nouveaux éléments. Il a été prouvé que ces nouveaux éléments ont des demi-vies et une radiotoxicité beaucoup plus faibles. Simultanément, la chaleur générée par la désintégration accélérée peut être exploitée pour d’autres applications.
Par exemple, la demi-vie du plutonium 239, hautement radiotoxique, peut être réduite d’environ 24 000 ans à 100 ans seulement. De même, le neptunium 237, dont la demi-vie est d’environ 2,1 millions d’années, peut être converti en éléments dont la demi-vie est d’environ 1 000 ans. Dans les deux cas, la radiotoxicité est également réduite de 99 à 99,95 %, car les éléments obtenus sont beaucoup plus stables. Il en va de même pour les autres déchets et leurs deux éléments plus stables issus de la transmutation, également appelés éléments produits. En général, les éléments instables sont ceux qui sont radioactifs, car leur désintégration naturelle émet des rayonnements alpha, bêta ou gamma.
Contrairement aux réacteurs nucléaires conventionnels, la technologie ADS utilise un accélérateur de particules qui dirige des protons à haute énergie sur un matériau cible, généralement du plomb ou du bismuth. Cette interaction génère une cascade de neutrons, entraînant la réaction de transmutation. L’ADS étant sous-critique et ne pouvant donc pas entretenir une réaction en chaîne de manière indépendante – contrairement à un réacteur nucléaire classique – il est considéré comme intrinsèquement plus sûr que les centrales nucléaires traditionnelles. Si la source de neutrons est désactivée, la réaction et la production de chaleur s’arrêtent immédiatement, ce qui évite les risques de fusion.
Le processus de transmutation produit une chaleur de désintégration importante d’environ 100°C (212°F) qui, en principe, est idéale pour les applications de chauffage mais insuffisante pour la production d’électricité. La technologie ADS pourrait constituer une approche prometteuse, notamment pour le chauffage urbain. L’étude SPRIND propose de la déployer sur des sites nucléaires allemands déclassés, en utilisant les lignes de transmission, les systèmes de refroidissement et les mesures de sécurité existants, tout en réduisant les coûts initiaux d’environ 30 %.
L’étude estime que les SDA pourraient fournir de la chaleur à un coût compétitif de 25 à 40 €/MWh, ce qui en ferait une alternative viable au chauffage par combustibles fossiles. À titre de référence, un ménage allemand consomme entre 0,13 et 0,15 MWh d’énergie thermique par mètre carré et par an. Bien que l’étude ne précise pas le nombre de ménages qui pourraient être approvisionnés, elle note que chaque unité d’énergie produite permet d’obtenir jusqu’à trois unités de chaleur.
Cependant, les coûts initiaux élevés de 1 à 7 milliards d’euros par centrale représentent un défi initial important. Si la tarification de la chaleur des SDA peut devenir compétitive, les ventes d’énergie ne constituent pas à elles seules la principale source de revenus. Le succès financier de la technologie – et de son énergie thermique économiquement compétitive – dépend de l’extraction et de la vente d’éléments rares issus de la transmutation. Ces matériaux sont actuellement essentiels pour les industries de haute technologie ainsi que pour le traitement du cancer et la recherche. Malgré l’incertitude des prix des éléments rares, l’étude indique que dans des conditions de marché stables pour ces éléments, le chauffage urbain ADS pourrait s’imposer comme un substitut viable au chauffage conventionnel.
La chaleur utilisable produite par la technologie ADS soutient les efforts de décarbonisation. L’exploitation de l’énergie grâce à l’élimination des déchets radioactifs est un avantage supplémentaire d’un processus qui peut remédier au fardeau des déchets intergénérationnels. Si les sociétés d’aujourd’hui continuent à s’appuyer sur l’énergie nucléaire conventionnelle, les ADS pourraient devenir une technologie clé pour atténuer le dilemme du stockage du combustible usé et de la gestion des déchets que posent les centrales nucléaires classiques.
Le concept de base des ADS n’est pas entièrement nouveau. Proposé et validé expérimentalement pour la première fois par le lauréat du prix Nobel Carlo Rubbia dans les années 1990, son travail de pionnier a jeté les bases de la recherche et du développement ultérieurs de la technologie. Depuis lors, des institutions telles que le CERN en Suisse et l’Institut chinois de physique des hautes énergies se sont efforcées de faire progresser la faisabilité industrielle de la technologie ADS.
Bien que la technologie ADS ait été démontrée avec succès et fréquemment à l’échelle du laboratoire, la transition vers un déploiement à l’échelle industrielle présente des obstacles importants. L’Office fédéral allemand pour la sûreté de la gestion des déchets nucléaires (BASE), ainsi que le TÜV Nord, ont exprimé des inquiétudes quant à la faisabilité économique de la mise à l’échelle de l’ADS pour une utilisation généralisée. Le principal problème réside dans l’accélérateur de neutrons lui-même, qui n’a jamais été construit ou testé au niveau industriel pour un fonctionnement continu à haute puissance. La question de la stabilité à long terme des matériaux soumis à un bombardement constant de neutrons n’a pas non plus été résolue, pas plus que la difficulté de produire le grand nombre de neutrons actuellement requis pour la transmutation à grande échelle.
Les problèmes réglementaires constituent également un obstacle majeur à l’adoption de l’ADS. L’AIEA exerce une surveillance stricte sur les technologies impliquant des « matières nucléaires sensibles à la prolifération » (MNSP), telles que le plutonium 239 et l’uranium 233. Ces deux éléments, en particulier, sont indispensables à la production d’ogives nucléaires.
En vertu des accords mondiaux de non-prolifération nucléaire, l’utilisation de déchets nucléaires à des fins énergétiques nécessite une surveillance continue, un suivi des matières et des inspections. En outre, des organismes régionaux tels qu’EURATOM ajoutent des couches réglementaires supplémentaires, ce qui complique le déploiement.
Bien que les réacteurs ADS soient intrinsèquement plus sûrs que les centrales nucléaires conventionnelles en raison de leur nature sous-critique, ils produisent directement des PSNM, contrairement aux réacteurs traditionnels où ces matières ne se forment que sous forme de sous-produits et ne constituent qu’une fraction de l’ensemble des matières utilisées. Le traitement et l’utilisation de concentrations et de quantités élevées de PSNM dans les ADS posent des problèmes de prolifération, notamment en raison de la faible masse critique du plutonium 239 et de l’uranium 233, c’est-à-dire la quantité minimale nécessaire pour entretenir une réaction de fission.
Par conséquent, les ADS sont soumis à des garanties plus strictes de la part de l’AIEA, ce qui exige un suivi, des rapports et une conformité rigoureux. Contrairement aux centrales nucléaires classiques qui n’utilisent que des matières fissiles modérément enrichies, les ADS impliquent des concentrations nettement plus élevées, ce qui nécessite un contrôle strict et la prévention de toute utilisation abusive tout au long du processus de transmutation. Cela peut entraîner une augmentation des coûts réglementaires et des retards potentiels de déploiement.
Pour passer des expériences en laboratoire à la mise en œuvre industrielle des ADS, il faudra surmonter d’importants obstacles techniques et réglementaires. La prochaine phase critique sera celle des évaluations indépendantes de l’étude SPRIND par des pairs, afin de s’assurer que les affirmations de faisabilité, de viabilité économique et de sécurité résistent à un examen rigoureux de la part de la communauté scientifique.
Ces évaluations joueront un rôle décisif pour déterminer si l’ADS peut réellement devenir une technologie transformatrice, ou si les défis qu’elle pose l’emportent sur ses avantages.
