Batterie nucléaire sûre et compacte pouvant révolutionner le stockage d’énergie

L’énergie nucléaire partout ?

Lorsque la production d’énergie nucléaire est devenue une technologie exploitable, elle a fait naître l’espoir que cette énergie, jusque-là utilisée uniquement pour fabriquer des bombes capables de détruire le monde, puisse aussi sauver la civilisation de l’épuisement des ressources.

Alors que le changement climatique suscite une inquiétude croissante, l’énergie nucléaire connaît une renaissance. Cette source disponible, évolutive et sobre en carbone peut assurer la transition jusqu’à ce que les énergies renouvelables et les batteries soient prêtes à remplacer les combustibles fossiles. De nouveaux modèles de centrales pourraient aussi rendre le nucléaire moins cher, plus sûr et plus flexible, comme nous l’avons expliqué dans « Le point sur les SMR (petits réacteurs modulaires) – Toujours l’avenir de l’énergie nucléaire » et « La 4e génération du nucléaire : moins chère, plus propre et plus sûre ».

Ces grandes centrales ne correspondent toutefois pas à la vision initiale des auteurs de science-fiction. Des penseurs comme Isaac Asimov étaient bien plus ambitieux et imaginaient des générateurs nucléaires miniaturisés pouvant équiper des trains, des voitures et des appareils encore plus petits, rendant presque inutile toute recharge ou tout ravitaillement.

La présentation de batteries nucléaires assez petites pour alimenter en toute sécurité de petits appareils électroniques constitue un pas dans cette direction.

Ces travaux ont été présentés lors de la réunion de printemps de l’American Chemical Society (ACS) par Su-Il In, professeur au Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology en Corée du Sud, sous le titre « Batterie de nouvelle génération : cellule bêtavoltaïque au C14, sensibilisée par colorant, hautement efficace et stable ».

Source: Asia Research News

La limitation des batteries

Aujourd’hui, la capacité de la plupart des appareils électroniques est limitée par leur batterie, généralement fondée sur la technologie lithium-ion. Cela concerne notamment les smartphones, les drones et les capteurs.

En outre, l’extraction du lithium est destructrice pour l’environnement et ce métal pourrait devenir un polluant à l’avenir.

Les scientifiques envisagent donc depuis longtemps d’exploiter la désintégration radioactive, un processus qui dure des centaines, voire des dizaines de milliers d’années, afin de supprimer entièrement la nécessité de recharger les appareils.

Ces dispositifs étant radioactifs, ils devraient toutefois respecter les normes de sécurité les plus strictes.

Bêta-radioactivité

Il existe de nombreuses formes de radioactivité. La désintégration gamma est la plus dangereuse, car elle émet des rayons gamma très puissants susceptibles de provoquer des cancers et d’autres dommages.

Source: Compound Chem

Les désintégrations alpha et bêta sont beaucoup moins dangereuses, et leurs émissions peuvent être arrêtées par une fine couche d’aluminium, voire par une simple feuille de papier.

Source: Western Oregon University

Choisir le bon isotope

Le type de radioactivité dépend de l’élément et de ses isotopes ; certaines sources d’énergie sont donc bien plus sûres que d’autres. Pour cette raison, des matériaux comme l’uranium ne conviendraient pas aux petites batteries nucléaires.

En revanche, le carbone 14, isotope naturel du carbone souvent employé dans les techniques de datation, serait un bon candidat.

Autre avantage : le parc actuel de centrales nucléaires produit déjà du carbone 14, ce qui le rend peu coûteux, facilement disponible et simple à recycler. Enfin,

« J’ai choisi un isotope radioactif du carbone parce qu’il ne produit que des rayons bêta. Comme le radiocarbone se désintègre très lentement, une batterie alimentée au radiocarbone pourrait théoriquement durer des millénaires. »

Pr Su-Il In – professeur au Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology

Technologie betavoltaïque

Exploiter la désintégration bêta pour produire de l’électricité n’est pas un concept entièrement nouveau. Cette technologie, appelée bêtavoltaïque, remplace les photons du photovoltaïque classique par des particules bêta.

Dans un dispositif bêtavoltaïque, un électron frappe le semi-conducteur à la place d’un photon, ce qui produit de l’électricité.

Le semi-conducteur est l’élément essentiel, car son efficacité détermine le rendement global de conversion énergétique. Jusqu’ici, les semi-conducteurs bêtavoltaïques présentaient un rendement très faible ou étaient trop fragiles pour durer aussi longtemps que le combustible nucléaire.

Semi-conducteur à dioxyde de titane

Le professeur In et son équipe ont ajouté un colorant à base de ruthénium au dioxyde de titane, un matériau couramment utilisé dans les cellules solaires. Un traitement à l’acide citrique a permis de renforcer suffisamment la liaison entre le colorant et le semi-conducteur.

Lorsqu’il est frappé par une particule bêta, c’est-à-dire un électron très énergétique, le colorant au ruthénium déclenche une cascade de réactions de transfert électronique appelée avalanche d’électrons. Le dioxyde de titane recueille ensuite les électrons produits et les transforme en électricité utilisable.

Traitement des deux électrodes

Les chercheurs ont découvert que l’application du colorant au ruthénium sur la cathode et l’anode de la batterie nucléaire augmentait considérablement l’efficacité du procédé.

Par rapport à une conception antérieure où le radiocarbone n’était présent que sur la cathode, le rendement de conversion énergétique est passé de 0,48 % à 2,86 %.

Applications

Comme ce système sera probablement plus cher qu’une batterie classique dans un premier temps, ses premières applications seront celles où éviter le remplacement ou la recharge de la source d’énergie apporte le plus grand bénéfice.

Par exemple, des stimulateurs cardiaques et d’autres implants médicaux pourraient être alimentés pendant toute leur durée de vie par de telles batteries bêtavoltaïques.

Les capteurs installés dans des environnements sensibles ou hostiles, comme les réacteurs nucléaires, les usines, les grands fonds marins ou l’espace lointain, pourraient également en tirer un grand avantage.

Améliorations futures

Cette technologie et son impressionnant gain d’efficacité rejoignent d’autres recherches visant à exploiter la désintégration radioactive pour produire de l’énergie sans réacteur nucléaire. Par exemple, nous avons récemment étudié l’idée d’utiliser des déchets nucléaires pour fabriquer un autre type de batterie nucléaire.

Selon le professeur In, l’optimisation de la forme de l’émetteur de rayons bêta et la mise au point d’absorbeurs plus efficaces pourraient améliorer les performances de la batterie et accroître la production d’électricité.

Dans l’ensemble, cette technologie devrait continuer de progresser à mesure que notre compréhension des semi-conducteurs et des métaux rares s’améliore.

Investir dans le nucléaire

Cameco – Westinghouse Electric Company

En 2022, Cameco a décidé d’acquérir 49 % de Westinghouse, l’un des principaux constructeurs de centrales nucléaires aux États-Unis, aux côtés du géant de l’investissement Brookfield, qui en détient 51 %.

Le groupe possède une immense division de production d’énergie renouvelable et bas carbone avec Brookfield Renewable Partners, valorisée 19 milliards de dollars (BEP.UN.TO ) (BEPC ) (BEP ). Dans son ensemble, Brookfield Corporation (BN ) est un géant de la gestion d’actifs qui administre près de mille milliards de dollars.

Westinghouse peut ainsi accéder à un vaste réservoir de capitaux, un enjeu fréquent pour les constructeurs de réacteurs nucléaires puisque les nouveaux projets exigent des années d’investissement avant de générer des revenus.

Même si les revenus mettent du temps à se concrétiser, un nouveau réacteur en construction commence à générer des revenus pour Westinghouse dès la 6^e année suivant les études de conception et d’ingénierie, puis pendant toute la durée du chantier, soit plus de dix ans.

Source: Cameco

Le produit phare de Westinghouse est le réacteur AP1000, une conception éprouvée dont six unités sont en service et six autres en construction. L’entreprise exploite aussi son standard CANDU, l’un des plus répandus au monde.

Westinghouse travaille également sur le petit réacteur modulaire AP300, susceptible d’être déployé en Slovaquie, en Finlande et en Suède, ainsi que sur le microréacteur e-Vinci. Ces projets illustrent son innovation continue et sa capacité à suivre les dernières tendances du secteur.

Source: Westinghouse

Westinghouse joue un rôle essentiel dans une grande partie de la chaîne d’approvisionnement nucléaire. En raison d’une réglementation stricte, ses pièces et équipements seront nécessaires à toute nouvelle centrale, qu’elle soit traditionnelle ou de type SMR.

Dans l’ensemble, même si le problème de l’offre d’uranium était résolu et que les prix s’effondraient, sa participation dans Westinghouse devrait permettre à Cameco de profiter de la renaissance du nucléaire pendant au moins plusieurs décennies.

Le reste des activités de Cameco concerne l’extraction d’uranium et devrait également bénéficier de la renaissance du nucléaire. Ses principaux actifs miniers se situent au Canada et au Kazakhstan.

Historiquement, les producteurs d’uranium et les constructeurs de réacteurs ont souffert de la crainte des catastrophes nucléaires et des préoccupations liées aux déchets.

À mesure que des conceptions plus récentes et plus sûres arrivent à maturité et que les déchets nucléaires deviennent une ressource précieuse plutôt qu’un problème, ces préoccupations devraient s’atténuer. La production de carbone 14 destiné aux dispositifs bêtavoltaïques pourrait ainsi devenir un produit supplémentaire des centrales Westinghouse.

Enfin, la recherche de sources d’énergie plus sobres en carbone, alors que les renouvelables n’ont pas encore totalement résolu le problème de l’intermittence, surtout en hiver, devrait favoriser un retour en force du nucléaire.

(Si vous êtes plus intéressé par le potentiel de la demande des éléments utilisés dans cette étude, vous pouvez également consulter notre rapport sur l’investissement dans le titane)

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