Déchets nucléaires : qu'est-ce que c'est et comment sont-ils éliminés

Déchets nucléaires. Nous en avons tous entendu parler, mais de quoi s’agit-il exactement et pourquoi est-ce si important ? Est-ce un problème sans solution ? Quelle est l’ampleur du problème ? Aujourd'hui, vous le découvrirez.

Le terme « déchets nucléaires » évoque souvent des images de réservoirs rouillés déversant des matières radioactives vertes et brillantes dans les rivières et le sol, provoquant cancer et maladies dans les villes voisines – ou peut-être de créatures mutées faisant des ravages et détruisant ces villes.

Cependant, à mesure que le monde s’efforce de réduire sa dépendance aux combustibles fossiles, l’énergie nucléaire jouera un rôle de plus en plus important dans le mix énergétique mondial. Il est donc important d’aller au-delà des représentations populaires et de comprendre ce que sont réellement les déchets nucléaires, quels risques ils présentent et comment ils peuvent être gérés.

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Qu'est-ce que les déchets nucléaires ?

En termes simples, les déchets nucléaires ou radioactifs font référence aux sous-produits issus de l’exploitation des réacteurs nucléaires, du retraitement du combustible, de la production d’armes, des installations médicales et des laboratoires de recherche. Cependant, ce terme recouvre une grande variété de types de déchets. Ce qui rend les déchets nucléaires uniques, c’est que leurs propriétés évoluent considérablement au fil du temps, passant d’une forme de déchet à une autre.

La réponse n’est donc pas simple, mais le meilleur point de départ est peut-être de commencer par la forme de déchets nucléaires la plus connue et la plus grave : les déchets de haute activité, produits par l’exploitation des réacteurs nucléaires civils.

Comment sont produits les déchets nucléaires

Dans la plupart des réacteurs nucléaires, le combustible est contenu dans des barres combustibles, des éléments de libération de chaleur. Ces barres sont constituées d'un noyau combustible, d'un matériau résistant aux radiations et d'un matériau de refroidissement. metal gaine et les embouts. Le type de crayon combustible dépend du type de réacteur, de son utilisation prévue et des paramètres du liquide de refroidissement. Dans la plupart des réacteurs industriels modernes, le crayon combustible est un cylindre d'environ 2 cm de diamètre et de plusieurs mètres de long. Ces crayons contiennent de l'uranium enrichi avec une concentration élevée d'isotope fissile uranium-235. Les éléments sont placés à l'intérieur metal tubes en alliage, constituant les crayons, qui sont ensuite regroupés en faisceaux. Collectivement, cet assemblage est appelé assemblage combustible.

Le fonctionnement d’une centrale nucléaire repose sur une réaction nucléaire en chaîne. Tout d’abord, l’énergie nucléaire est convertie en énergie thermique, puis l’énergie thermique en énergie mécanique et enfin l’énergie mécanique en énergie électrique. La conversion de l'énergie nucléaire en énergie thermique s'effectue au cœur du réacteur, où la fission de l'uranium libère une quantité importante de chaleur. Le combustible du réacteur est de l'uranium enrichi, contenu dans les barres de combustible.

L'uranium contenu dans les barres de combustible est un radionucléide, une substance dotée d'un noyau instable, ce qui lui confère la capacité de subir une désintégration radioactive. Au fur et à mesure que le noyau se désintègre, il se divise en deux fragments de fission, libérant de l'énergie et générant entre 1 et 8 neutrons. Ces neutrons, se déplaçant à grande vitesse, entrent en collision avec les noyaux voisins, déclenchant des fissions ultérieures. Si la concentration du combustible est suffisamment élevée, cela conduit à une réaction nucléaire en chaîne auto-entretenue.

Les fragments de fission produits ont une énergie cinétique élevée, qui est convertie en chaleur par collisions avec des atomes d'autres éléments, un processus connu sous le nom de thermalisation. Cette chaleur est transportée par le liquide de refroidissement, généralement de l'eau purifiée, qui est pompée dans le steam générateur par les pompes de circulation principales. Le circuit de refroidissement primaire du système réacteur comprend le circuit lui-même, le système de compensation de pression et les pompes de circulation principales, qui sont conçues pour assurer la circulation du liquide de refroidissement à travers le cœur du réacteur dans les conditions de fonctionnement spécifiées dans la conception. Le liquide de refroidissement qui entre en contact avec les assemblages combustibles devient radioactif, il est donc contenu dans le premier circuit et n'interagit pas directement avec le circuit secondaire.

L'eau du circuit primaire fermé dans le steam le générateur transfère son énergie thermique au liquide de refroidissement du circuit secondaire – de l'eau purifiée ordinaire – qui le fait bouillir. Le liquide de refroidissement refroidi est ensuite pompé vers le réacteur, complétant ainsi le cycle. Le steam produit dans le steam générateur est dirigé à travers les canalisations du circuit secondaire vers le steam turbine, où elle fait tourner les pales de la turbine. C'est ainsi que l'énergie thermique est convertie en énergie mécanique. Simultanément, la steam La turbine est connectée à un générateur électrique qui produit de l'énergie électrique, convertissant ainsi l'énergie mécanique en énergie électrique.

Lorsqu’une quantité suffisante d’uranium 235 a été consommée, le combustible est considéré comme usé et devient essentiellement un déchet. C’est ainsi que fonctionne la production d’énergie dans les centrales nucléaires à double boucle.

Pour référence: Actuellement, environ 440 réacteurs nucléaires fonctionnent dans 32 pays, pour une capacité totale d'environ 390 GW. En 2022, ils ont produit 2,545 10 TWh, ce qui représente environ 2023 % de l’électricité mondiale. En novembre 60, une soixantaine de réacteurs étaient en construction et il était prévu d’en construire 110 autres, principalement en Asie.

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Quelle quantité de déchets est générée

La raison pour laquelle l’énergie nucléaire est si attractive est que le combustible est extrêmement dense en énergie. Un gramme d'uranium libère une énergie équivalente à celle de 3 tonnes de charbon. Cela signifie qu’un grand réacteur d’un gigawatt produit moins de 30 tonnes de combustible usé par an. Lorsque l’on divise ce combustible usé par le nombre de personnes desservies par le réacteur, on obtient un volume de déchets de l’ordre d’une brique par personne, qui ne contient que 5 grammes de déchets de haute activité après retraitement.

Radiation

La menace la plus évidente posée par les déchets nucléaires est la radiation. Il a le potentiel de blesser ou de tuer simplement en étant à proximité, ce qui est loin de la définition de « sûr » au sens strict du terme. Alors, quelle est exactement la nature du risque radiologique et combien de temps persiste-t-il ?

Les déchets de haute activité représentent 3 % du volume du combustible usé mais représentent 95 % de sa radioactivité. Ces déchets sont non seulement hautement radioactifs, mais aussi thermiquement chauds, nécessitant une protection minutieuse, et ne peuvent être manipulés qu'à l'aide de manipulateurs à distance. Pour donner une idée de la radioactivité de ces déchets à leur sortie du réacteur, ils émettent 10,000 10 becquerels par heure pendant les 500 prochaines années. Pour rappel, seulement XNUMX becquerels par heure suffisent pour être mortels pour une personne.

Contrairement à de nombreux déchets non nucléaires, tels que l’arsenic ou l’amiante, les déchets nucléaires évoluent au fil du temps à mesure que les atomes subissent une désintégration radioactive et que les produits de désintégration se transforment d’un élément à un autre. La vitesse à laquelle cette désintégration se produit est appelée demi-vie. En d’autres termes, la demi-vie d’un élément radioactif est le temps nécessaire à la désintégration de la moitié d’une quantité donnée. Par exemple, l’isotope iode-131 a une demi-vie d’environ huit jours, tandis que le plutonium-239 a une demi-vie de 24,000 XNUMX ans.

À première vue, l’iode peut sembler plus sûr que le plutonium, car l’iode se désintègre rapidement, alors que le plutonium reste radioactif pendant des siècles. En réalité, c’est l’inverse. L’iode 131 est extrêmement dangereux car sa courte demi-vie signifie qu’il émet des radiations sur une courte période. Le plutonium, en revanche, n’est que modérément radioactif. Le plutonium ne peut présenter un risque significatif que s’il est ingéré, ce qui permet aux particules de pénétrer dans les tissus mous internes où elles peuvent endommager les cellules.

C'est pourquoi le combustible usé est stocké sur le site du réacteur lorsque les assemblages combustibles sont retirés du réacteur. Le combustible est conservé sous l’eau dans des piscines de combustible usé pendant plusieurs années, permettant ainsi la désintégration des isotopes dangereux. En 40 ans, la radioactivité diminue jusqu'à un millième du niveau qu'elle avait au moment du déchargement du combustible. Après 1 à 10 XNUMX ans, le combustible est toujours aussi radioactif que le minerai d'origine à partir duquel il a été fabriqué. Cette radioactivité à long terme est due à la conversion du combustible usé en éléments transuraniens, le transformant de déchets hautement radioactifs en déchets radioactifs de moyenne activité, qui ont une radioactivité modérée. C’est pourquoi l’élimination des déchets hautement radioactifs implique également l’élimination des déchets moyennement radioactifs.

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Élimination des déchets

Mais comment sont éliminés ces déchets hautement radioactifs et quelles alternatives existent ? Il existe différentes méthodes d'élimination, dont certaines sont plus simples que celle actuellement privilégiée. Par exemple, les déchets pourraient être enfermés dans des conteneurs en acier et laissés dans une région stable de la calotte glaciaire de l’Antarctique, où ils finiraient par fondre et s’enfouir sous plusieurs kilomètres de glace au cours des 100,000 XNUMX prochaines années. Alternativement, les déchets pourraient être placés dans des mines profondes, là où deux plaques tectoniques se rencontrent, leur permettant de glisser lentement dans le manteau terrestre en fusion.

La méthode la plus simple serait peut-être de placer les cartouches dans des fléchettes à nez pointu remplies de plomb et de les jeter dans les profondeurs de l'océan. Ils heurteraient le fond marin à grande vitesse et s’enfouiraient profondément dans les sédiments. Cette méthode a été utilisée par inadvertance pour les réacteurs des sous-marins nucléaires américains Scorpion et Batteuse, qui a coulé dans les années 1960 lors de deux accidents distincts. L'US Navy n'a jamais fait d'effort pour récupérer les réacteurs, car ils étaient impossibles à localiser, et encore moins à fouiller.

Il existe plusieurs raisons pour lesquelles ces méthodes, ainsi que d’autres, ne sont pas utilisées. Certains ont été licenciés pour des raisons techniques, tandis que d'autres ont été exclus en raison d'accords internationaux. Cependant, la plupart d’entre eux partagent un inconvénient commun : une fois les déchets enfouis, ils ne peuvent plus être récupérés. Même si ce sujet est rarement abordé, les déchets nucléaires de haute activité ont une valeur considérable. Non seulement il peut être retraité pour créer un nouveau combustible, mais il contient également un grand nombre d’isotopes nucléaires très demandés en médecine et dans l’industrie. En conséquence, la possibilité de récupérer ces déchets à l’avenir est hautement souhaitable.

Stockage du combustible nucléaire usé en fûts secs

Une fois refroidis dans les piscines de combustible usé, les crayons de combustible sont transférés vers un stockage en fûts secs pendant environ 10 ans. Les tiges refroidies sont placées dans des cylindres en acier et en béton, d'environ 5 mètres de haut, dotés de plusieurs couches internes, de joints concentriques et d'amortisseurs. Remplis de gaz inerte, ces fûts sont conçus pour résister aux tornades, tremblements de terre, attaques terroristes et accès non autorisés.

Ils protègent non seulement contre les rayonnements extérieurs, mais dissipent également passivement la chaleur dégagée par les tiges.

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Dépôt géologique profond

L’étape suivante consiste soit à envoyer le combustible au retraitement pour le transformer en nouveau combustible, soit à le stocker à long terme dans un stockage souterrain profond. Pour le stockage, le combustible usé est retiré des crayons combustibles, les déchets de haute activité sont extraits, puis transformés en poudre sèche mélangée à du verre fondu. Ce mélange est ensuite versé dans des récipients en acier inoxydable d'environ 1 mètre de haut et laissé refroidir. Le produit final est presque chimiquement inerte et la matière radioactive est dispersée dans le verre, réduisant ainsi la quantité de rayonnement émis.

Après traitement, les fûts de déchets sont acheminés vers des installations de stockage construites dans une zone géologiquement stable, isolée du milieu environnant. Bien que les déchets puissent être récupérés, il est prévu qu'à un moment donné dans le futur, le site de stockage soit rempli et scellé.

L'efficacité d'un tel dépôt est illustrée par le réacteur nucléaire naturel du Gabon, qui s'est formé il y a deux milliards d'années lorsque les minerais nucléaires sont devenus inhabituellement concentrés. Malgré les précipitations et l'infiltration des eaux souterraines, les matières nucléaires de ce réacteur n'ont migré à travers la roche que sur environ 10 mètres. Des dépôts géologiques de ce type ont été approuvés dans de nombreux pays, et les États-Unis en exploitent déjà un pour stocker les déchets issus de la production d’armes nucléaires. La Finlande devrait également ouvrir une installation similaire dans un avenir proche.

A venir

D'un point de vue technologique, les questions liées au stockage des déchets nucléaires ont été largement abordées. Les déchets de faible activité sont régulièrement recyclés et des méthodes d'élimination des déchets de haute activité sont déjà en place ou en attente d'approbation. Outre le stockage des déchets de haute activité, il existe d’autres moyens de les gérer, notamment de nouveaux réacteurs à neutrons rapides et des techniques avancées de recyclage. Il ne faut cependant pas se laisser aller à la complaisance. Les déchets nucléaires sont extrêmement dangereux et ne doivent jamais être pris à la légère.

La question des déchets reste l’un des plus grands obstacles pour l’industrie nucléaire, mais elle n’est pas technologique. Ce n’est pas non plus une question économique. L'industrie nucléaire est unique dans la mesure où elle doit intégrer l'élimination des déchets dans les coûts d'exploitation d'une centrale, mais l'expérience montre que la gestion des déchets ne représente que 10 % du coût total de production d'électricité nucléaire.

Le problème est avant tout politique. Il ne sert à rien de réussir un projet d'élimination des déchets si personne ne veut qu'il soit construit dans son jardin. Il y a plusieurs raisons à cela. Pour certains, il s’agit d’une préoccupation environnementale réelle et concrète, motivée par des événements comme Tchernobyl. D’autres considèrent l’énergie nucléaire comme un obstacle à une économie basée sur des sources d’énergie renouvelables et sur des limites conscientes de la consommation d’énergie. Pendant ce temps, les réactions de nombreuses personnes face à tout ce qui est nucléaire sont façonnées par les souvenirs de la guerre froide et par la peur des armes nucléaires.

Reste à savoir si les déchets nucléaires continueront à entraver le développement de l’énergie nucléaire. Cependant, il est indéniable que, quelles que soient les opinions sur les déchets nucléaires, il ne s’agit pas d’une question théorique qui peut être utilisée pour rejeter tout un secteur énergétique sur la base de principes premiers. C'est un problème auquel il faut s'attaquer. Au cours des 80 dernières années, une quantité importante s’est accumulée dans le monde entier et nous devons trouver une solution à ce problème.

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