Des lasers ultra-puissants pour traiter les déchets nucléaires

Il est bien connu que cer­tains pro­duits de la fis­sion nucléaire sont extrê­me­ment radio­ac­tifs. Le trai­te­ment des déchets issus de la fis­sion est donc l’un des défis d’un nucléaire civil plus sou­te­nable. Par­mi eux se trouve le plu­to­nium (le plus connu) et d’autres acti­nides mineurs – nep­tu­nium, amé­ri­cium et curium – dont on retrouve envi­ron 800 grammes par tonne de com­bus­tible irradié. 

Aujourd’hui, ces déchets doivent être sto­ckés de manière sécu­ri­sée pen­dant extrê­me­ment long­temps car leur demi-vie (le temps pas­sé pour que la radio­ac­ti­vi­té soit divi­sée par deux) est très longue. Celle du plu­to­nium-239, par exemple, est d’environ 24 000 ans. 

À côté des solu­tions de sto­ckage sécu­ri­sé, on cherche aujourd’hui à « trans­mu­ter » ces déchets afin de mieux les maî­tri­ser. Appli­qués au plu­to­nium et aux autres acti­nides mineurs, qui sont aujourd’hui les déchets les plus dan­ge­reux, des lasers dits « ampli­fiés » seraient en théo­rie suf­fi­sam­ment puis­sants pour pro­duire une nou­velle fission. 

Le résul­tat : trans­for­mer les déchets issus de la fis­sion nucléaire en sous-pro­duits de masse ato­mique plus faible et de demi-vie beau­coup plus réduite. Ou, au contraire, ajou­ter des par­ti­cules et obte­nir ain­si un iso­tope moins radio­ac­tif, avec une demi-vie très longue à une seule année.

La demie vie du plu­to­nium-239 est de 24 000 ans, on cherche aujourd’hui à « trans­mu­ter » ces déchets afin de mieux les maîtriser. 

Pour cela, notre espoir se trouve dans l’amplification à dérive de fré­quence ou « chir­ped pul­sed ampli­fi­ca­tion » (CPA). Cette tech­nique per­met de pous­ser la logique de cette lumière extrême qu’est le laser jusqu’à des niveaux de puis­sance long­temps jugés inac­ces­sibles, de l’ordre du peta­watt (PW) – équi­valent à 10¹⁵ watts. Pour don­ner un ordre de gran­deur, 1PW est envi­ron 50 fois la puis­sance du réseau élec­trique mon­dial, et la puis­sance totale reçue par la Terre de la part du Soleil repré­sente 174PW. 

L’amplification à dérive de fré­quence consiste à allon­ger l’im­pul­sion ultra­courte du laser en éta­lant ses dif­fé­rentes com­po­santes spec­trales, avant de l’amplifier. L’impulsion est ensuite recom­pri­mée sur une durée très brève, mais de façon si puis­sante qu’elle per­met de pro­duire des par­ti­cules (élec­trons et pro­tons) – c’est-à-dire de les déta­cher de la matière – avant de les accé­lé­rer par des tech­niques conventionnelles. 

En pra­tique, les lasers eux-mêmes sont opé­ra­tion­nels – ce qui n’est pas rien, car l’un des enjeux posés par une telle puis­sance est que l’émetteur ne soit pas détruit par le rayon­ne­ment. Nous savons aus­si déta­cher des par­ti­cules. Toute la ques­tion est désor­mais de faire la preuve de l’efficacité : c’est-à-dire de les pro­duire de façon com­pacte, mas­sive, abon­dante, et sans consom­mer trop d’énergie au pas­sage. C’est toute la ques­tion du pas­sage au niveau indus­triel. Le pro­jet XCAN est pré­ci­sé­ment dédié à cette mise en pratique. 

Un laser « boos­té » par la CPA est capable de pro­vo­quer une fis­sion. Il pour­rait donc ser­vir d’alternative au bom­bar­de­ment par neu­trons uti­li­sé dans les cen­trales actuelles. C’est une piste que nous explo­rons, et qui pour­rait se révé­ler déci­sive pour déve­lop­per la filière thorium. 

Le tho­rium est un métal lourd, bien plus abon­dant que l’uranium. Les pro­duits de sa fis­sion sont par ailleurs moins dan­ge­reux, et leur durée de demi-vie n’est que de quelques cen­taines d’années. Cette fis­sion ne pro­duit pas de plu­to­nium, ce qui fait du tho­rium un bon can­di­dat à une filière nucléaire « pure­ment » civile, sans dan­ger au regard de la pro­li­fé­ra­tion des armes nucléaires.

Le pro­blème, c’est que cette fis­sion n’est pas facile à réa­li­ser. Par rap­port à l’uranium, il y a une étape sup­plé­men­taire. Il faut ame­ner le tho­rium à un niveau sub­cri­tique, puis uti­li­ser une source exté­rieure de neu­trons pour l’amener à cri­ti­ci­té et pro­vo­quer la fis­sion. Les lasers pour­raient jouer un rôle-clé dans cet « amont » de la fis­sion, notam­ment parce qu’ils per­mettent un excellent niveau de contrôle. On peut ali­men­ter constam­ment le sys­tème en lumière, un peu comme avec un robinet.

Nombre de phy­si­ciens, dont je suis, sont convain­cus du poten­tiel de la filière tho­rium. Au plan scien­ti­fique, tout a été démon­tré. Tech­ni­que­ment, il y a encore de nom­breux pro­blèmes à résoudre, notam­ment du côté de l’énergie néces­saire pour conduire à la fis­sion. Mais les lasers peuvent être une par­tie de la solution.