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.