Batterie révolutionnaire qui convertit les déchets nucléaires en énergie durable

De nombreuses façons de fissionner les atomes

L’énergie nucléaire est souvent associée à d’immenses centrales, d’énormes tours de refroidissement et à la peur d’une fusion nucléaire. Cela change progressivement grâce à l’émergence des SMR (réacteurs modulaires petits) et 4e génération de centrales nucléaires (suivez les liens pour des rapports d’investissement détaillés sur les deux).

Les centrales nucléaires conventionnelles et les nouvelles s’appuient sur le même principe : utiliser l’énergie nucléaire pour chauffer de l’eau en vapeur et exploiter cette vapeur pour produire de l’électricité via des turbines.

Une autre façon d’exploiter la chaleur des réactions nucléaires est d’utiliser des générateurs thermoélectriques à radioisotope (RTG), généralement fonctionnant au plutonium et employés pour les missions spatiales lointaines.

Il existe toutefois d’autres moyens de capter l’énergie nucléaire. Les batteries bêta-voltaïques utilisent les rayonnements bêta pour générer directement un courant en séparant les électrons des noyaux atomiques dans un absorbeur semi‑conducteur.

À présent, un nouveau concept de production d’énergie à partir de réactions nucléaires a été créé par des chercheurs de l’Ohio State University et de l’Université de Toledo (États‑Unis). Il transforme le rayonnement en lumière, qui est ensuite convertie en énergie par une cellule solaire, un procédé appelé radiovoltaïque.

Ils ont publié leurs résultats¹ dans Optical Materials, sous le titre “Scintillator based nuclear photovoltaic batteries for power generation at microwatts level”.

Exploitation de l’énergie nucléaire

Lorsque les atomes radioactifs se scindent, plusieurs phénomènes se produisent simultanément. Les atomes d’origine se fragmentent et émettent certains de leurs composants, sous forme de neutrons et/ou de particules alpha et bêta, la réaction exacte dépendant de l’élément radioactif utilisé.

Source: Britannica

Cela peut être utilisé pour créer une réaction en chaîne dans les bonnes conditions, ce qui augmente considérablement la production d’énergie de l’uranium dans les centrales nucléaires.

Une autre possibilité est que certains isotopes de certains éléments se désintègrent spontanément avec le temps. À mesure que les atomes d’uranium du combustible nucléaire se fragmentent, ils se transforment en nouveaux éléments, créant un mélange complexe de nouveaux éléments, dont beaucoup sont très radioactifs.

Cela signifie que ces nouveaux éléments se désintègrent spontanément beaucoup plus souvent et libèrent beaucoup d’énergie chaque seconde.

Recyclage des déchets nucléaires

Les nouveaux éléments créés dans les réacteurs nucléaires sont communément appelés déchets nucléaires, car ils ne peuvent pas être réutilisés pour produire davantage d’énergie dans les réacteurs traditionnels. Leur radioactivité spontanée plus élevée constitue également un problème, les rendant très toxiques pendant des siècles voire des millénaires.

Une façon de gérer ce problème consiste à vitrifier (transformer en verre) et à enfouir les déchets nucléaires, en espérant que cela suffise à les empêcher de nuire à quiconque pendant les 10 000 années à venir.

Une autre option est de réutiliser une partie de ces déchets dans des réacteurs spéciaux appelés réacteurs rapides, réacteurs à combustible fertile ou réacteurs à combustion.

De tels réacteurs ont fonctionné en France dans les années 1970‑1990. Les versions modernes de réacteurs à combustible fertile rapides incluent, par exemple, le PRISM de GE‑Hitachi, conçu mais jamais construit.

Une autre option consiste à exploiter la production d’énergie naturelle de ces éléments et à les transformer en énergie sans recourir à des réacteurs spéciaux.

Transformer les radiations en lumière & énergie

Trouver le scintillateur adéquat

Les rayonnements gamma émis par des éléments très radioactifs sont difficiles à convertir directement en électricité car ils sont si puissants qu’ils ont tendance à endommager le matériau semi‑conducteur qui pourrait être utilisé pour générer de l’énergie.

Ainsi, bien que le concept ait été testé depuis les années 1950, les rendements ont été extrêmement faibles, variant de 0,4 % à 4,5 %, avec des problèmes supplémentaires de durabilité du système.

Source: Optical Material

Ce que les chercheurs de l’Ohio ont modifié, c’est d’utiliser un scintillateur, qui émet de la lumière lorsqu’il est exposé aux rayonnements. Cela a nécessité beaucoup d’efforts pour trouver le bon matériau scintillateur, car il devait se situer dans la zone idéale répondant à toutes les exigences:

• Fort absorbeur de radiations, à la fois pour augmenter le rendement et protéger la cellule solaire.
• La lumière réémise devait être à la bonne longueur d’onde correspondant à l’absorption de la cellule solaire.
• Résistance aux dommages dans le temps, maintenant la production lumineuse constante.
• Épaisseur suffisante pour absorber les radiations, mais assez fine et transparente pour ne pas absorber trop de lumière émise.

Leur choix s’est finalement porté sur le Gadolinium Aluminium Gallium Garnet dopé au cérium à haut rendement lumineux (GAGG:Ce‑HL – Gd3Al2Ga3O12).

Source: Optical Material

Produire de l’énergie à partir du rayonnement

La cellule solaire choisie était une couche mince polycristalline CdTe, avec des contacts en or et en indium. La raison principale de ce choix était sa haute résistance aux rayonnements comparée aux cellules solaires à base de silicium, jusqu’à 3 MGy (Mégagrays).

Source: Optical Material

Pour tester le concept, les chercheurs ont utilisé des irradiations provenant du césium‑137 et du cobalt‑60, produits par des irradiateurs de laboratoire.

Source: Optical Material

Une découverte surprenante du test expérimental a été que la forme et la taille du cristal utilisé comme scintillateur pouvaient fortement influencer l’efficacité du processus.

Dans l’ensemble, un volume plus important est bénéfique, car il permet de capturer davantage de rayonnement et de convertir plus d’énergie en lumière.

Source: Optical Material

La puissance obtenue atteignait jusqu’à 1,5 μW sous un taux de dose de rayonnement de 10 kRad/h (avec du cobalt), malgré la très petite taille du prototype, seulement 4 cm³ de volume.

« Ces résultats sont révolutionnaires en termes de production d’énergie. Ce processus en deux étapes est encore à ses débuts, mais l’étape suivante consistera à générer davantage de watts avec des constructions à plus grande échelle. »

Ibrahim Oksuz – chercheur associé en génie mécanique et aérospatial à l’Ohio State.

 Applications

Ces batteries pourraient théoriquement fonctionner indéfiniment sans aucune maintenance ni intervention. En pratique, elles dureraient probablement aussi longtemps que la cellule solaire, le reste du système pouvant fonctionner pendant plusieurs décennies supplémentaires sans nécessiter d’intervention.

Comme il s’agit encore d’un système expérimental et que les isotopes actifs ne sont pas produits en grande quantité, il est peu probable qu’elles alimentent bientôt nos smartphones.

Cependant, elles pourraient être utilisées pour créer des sources d’alimentation pour des capteurs et du matériel dans des environnements où le minimum d’intervention humaine est souhaitable, voire impossible. Par exemple, dans des installations spatiales lointaines, sous la mer ou dans des réacteurs nucléaires.

Il est probable qu’il faille au moins encore cinq ans avant toute utilisation concrète, et quelques années supplémentaires avant des applications plus généralisées de cette technologie.

« Faire évoluer cette technologie à grande échelle serait coûteux à moins que ces batteries puissent être fabriquées de façon fiable. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour évaluer l’utilité et les limites des batteries, y compris leur durée de vie une fois mises en œuvre en toute sécurité. »

Ibrahim Oksuz – chercheur associé en génie mécanique et aérospatial à l’Ohio State.

Cela changerait radicalement la perception des « déchets » nucléaires. D’un sous‑produit malheureux des réacteurs, ils pourraient devenir une source d’énergie très précieuse pour des capteurs avancés et des électroniques aux fonctions critiques.

Et, bien sûr, recycler les déchets nucléaires en sources d’énergie résoudrait le problème même de la gestion des déchets nucléaires.

« Le concept de batterie nucléaire est très prometteur. Il reste encore beaucoup de place à l’amélioration, mais je suis convaincu que, à l’avenir, cette approche occupera une place importante tant dans la production d’énergie que dans l’industrie des capteurs. »

Ibrahim Oksuz – chercheur associé en génie mécanique et aérospatial à l’Ohio State.

Entreprise nucléaire

Cameco – Westinghouse Electric Company

En 2022, Cameco a pris la décision d’acquérir 49 % du contrôle de Westinghouse, le principal constructeur de centrales nucléaires aux États‑Unis, avec un grand fonds d’investissement, Brookfield (contrôle à 51 %).

L’entreprise possède une division massive de production d’énergie renouvelable/faible carbone sous la forme de $19 Mrd Brookfield Renewable Partners (BEP.UN.TO ) (BEPC )  (BEP ). Brookfield Corporation (BN ) dans son ensemble est une société de gestion d’actifs gigantesque avec près d’un trillion de dollars sous gestion.

Cela signifie que Westinghouse pourra désormais accéder à un pool de capitaux très profond, ce qui est souvent un problème pour les constructeurs de réacteurs nucléaires, les nouveaux projets nécessitant des années d’investissement avant de générer des revenus.

Bien que la monétisation prenne plus de temps, une fois en construction, un nouveau réacteur génère des revenus pour Westinghouse à partir de la 6^e année après les études de conception et d’ingénierie et continuera ainsi pendant toute la durée du projet de construction, soit plus de 10 ans.

Source: Cameco

Le cheval de bataille de Westinghouse est le design éprouvé du réacteur AP1000 (6 en exploitation et 6 en construction), utilisant le standard CANDU de la société, l’un des plus répandus au monde.

Il travaille également sur le réacteur modulaire petit AP300, qui devrait être déployé en Slovaquie, en Finlande, et en Suède, ainsi que le micro‑réacteur e‑Vinci, illustrant les innovations continues de la société et sa capacité à suivre les dernières tendances de l’industrie.

Source: Westinghouse

Westinghouse joue un rôle essentiel dans une grande partie de la chaîne d’approvisionnement nucléaire. En raison de réglementations strictes, ces pièces et équipements seront requis pour toute nouvelle centrale, qu’elle soit traditionnelle ou SMR.

Dans l’ensemble, même si le problème d’approvisionnement en uranium était résolu et que les prix de l’uranium s’effondraient, la propriété de Westinghouse devrait permettre à Cameco de profiter de la renaissance nucléaire en cours pendant plusieurs décennies au moins.

Le reste du groupe Cameco est un mineur d’uranium, susceptible également de bénéficier de la renaissance actuelle de l’énergie nucléaire. Ses principaux actifs miniers se trouvent au Canada et au Kazakhstan.

Historiquement, les entreprises d’uranium et de réacteurs nucléaires ont souffert de la peur d’une catastrophe nucléaire et des inquiétudes concernant les déchets nucléaires. À mesure que les conceptions plus sûres et plus récentes mûrissent, et que les déchets nucléaires deviennent une ressource précieuse plutôt qu’un problème, cela ne devrait plus poser de problème.

De plus, la poussée vers davantage de sources d’énergie à faible carbone, alors que les énergies renouvelables ne résolvent pas encore totalement le problème de la production intermittente, notamment en hiver, devrait aider l’énergie nucléaire à faire un retour en force.

Dernières nouvelles sur Cameco

Référence de l’étude:

^{1. Ibrahim Oksuz, Sabin Neupane, Yanfa Yan, Lei R. Cao. (2025). Optical Material. Volume 25, février 2025, 100401 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590147825000038#abs0010}