Nouveaux matériaux pour le stockage des déchets radioactifs

suggérés par des recherches exposées dans la revue Science

Washington D.C. (U.S.A.) – Des chercheurs ont, aux États-Unis, au Royaume-Uni et au Japon, identifié une classe de matériaux capables de garantir la sécurité du stockage à long terme des déchets radioactifs. Ils annoncent les résultats de leurs recherches dans le numéro du 4 août de Science.

D’après Kurt Sickafus, du Los Alamos National Laboratory, au Nouveau-Mexique (U.S.A.), auteur principal de l’étude de Science, les déchets à haute radioactivité, par exemple le combustible usé des réacteurs nucléaires, sont actuellement stockés dans des conteneurs qui conservent leur intégrité pendant environ 100 ans. Mais le stockage à long terme des déchets radioactifs exige des matériaux de confinement qui puissent résister à la diffusion et à la désintégration par radiation pendant des milliers d’années.

En règle générale, les émissions radioactives délogent les atomes de leur position bien définie dans l’ordonnancement structural du matériau de stockage qui, avec le temps, devient instable, présentant des boursouflures, des failles et des altérations structurales.

Sickafus et ses collègues ont abouti à un type de matériau en céramique qui pourrait apporter la solution à ce problème. La clé semble résider dans le fait que les atomes de la structure de ce matériau sont en fait relativement peu ordonnés et peuvent permuter leurs positions respectives avec facilité. En conséquence, ils peuvent tolérer les minuscules défectuosités provoquées par l’irradiation. Tout comme un objet incongru dans un logis désordonné, une défectuosité dans ces matériaux ne se remarque guère.

Depuis plusieurs années, les scientifiques à la recherche de meilleurs matériaux de stockage ont l’œil sur un type de matériau appartenant à un groupe de céramiques appelées oxydes complexes. Les matériaux de ce type ont en commun une même formule chimique de base : deux paires de cations métalliques différentes (les cations sont des ions à charge positive) associées à sept atomes d’oxygène.

Les paires de cations peuvent, en fonction de leurs dimensions respectives, donner à ces matériaux une structure extrêmement ordonnée ou quelque peu désordonnée.

Lorsque les paires de cations sont de dimensions tellement différentes qu’elles ne peuvent pas permuter leurs positions, il se crée un matériau voisin du minéral brun et brillant qu’est le pyrochlore.

Par contre, lorsque les paires de cations sont de dimensions relativement proches, il en résulte une structure plus similaire à celle de la fluorite, un minéral violet. Dans ce cas, les cations se permutent facilement et créent une structure peu ordonnée.

Par le passé, les chercheurs ont cru que les matériaux dont la structure était celle du pyrochlore brun étaient de meilleurs candidats au confinement de déchets en raison de leur compatibilité chimique avec les composants de ces déchets. Mais on savait peu de choses de leur résistance aux effets à long terme de l’irradiation.

Sickafus et ses collègues ont découvert que les matériaux dont la structure est celle de la fluorite violette devraient avoir une résistance extraordinaire aux irradiations. En effet, selon les simulations sur ordinateur décrites dans l’article de Science, les atomes peuvent, dans ces matériaux, se déplacer pratiquement sans effort pour s’adapter aux défectuosités.

Les défectuosités dues à l’irradiation causeraient davantage de perturbations dans la structure cristalline rigide des matériaux de type pyrochlore.

´ Si un matériau a besoin d’être extrêmement ordonné et que les défectuosités mettent des atomes en des points où le matériau n’en veut pas, ceci accroît l’énergie présente dans la structure. Au bout d’un certain temps, il pourra y avoir une telle accumulation d’énergie que le matériau souffrira d’altérations structurales indésirables ª, dit Sickafus.

Les chercheurs ont effectué quelques expériences préliminaires en irridiant un cristal à structure pyrochlore et un autre à structure fluorite. Comme l’avait prédit l’équipe, les atomes strictement ordonnés de la structure pyrochlore se sont transformés en un fouillis amorphe tandis que la structure fluorite est restée intacte.

Les oxydes complexes de type pyrochlore et fluorite sont tous deux des matériaux cristallins, autrement dit ils se composent de groupes d’atomes qui sont dans l’ensemble régulièrement espacés. Sickafus et ses collègues soupçonnent qu’il existe d’autres matériaux cristallins à structure relativement désordonnée potentiellement résistants aux dommages de l’irradiation.

´ Nous pensons qu’il pourrait s’agir d’une règle de base qui s’applique à d’autres matériaux que ceux de notre étude, mais nous devrons faire davantage de recherches pour nous en assurer ª, dit Sickafus.

Actuellement, les chercheurs de nombreux pays, notamment le Japon, la Russie et certains pays d’Europe, étudient les matériaux cristallins pour la fabrication de conteneurs permettant le stockage de déchets radioactifs. Aux États-Unis, la politique est d’utiliser des matériaux vitreux, ou similaires au verre, ainsi que des matériaux cimentés, selon Sickafus.

´ Les céramiques de type fluorite sont très prometteurs comme matériaux de confinement de déchets radioactifs sur le plan sécurité et protection contre l’irradiation et devraient être développés plus avant ª, remarque Sickafus.

Les autres membres de l’équipe de recherche sont James A. Valdez, Fuxin Li, Kenneth J. McClellan et Thomas Hartmann, des Los Alamos National Laboratories, Licia Minervini et Robin W. Grimes, de l’Imperial College de Londres, et Manabu Ishimaru, de l’université de Kyushu à Fukuoka, au Japon. Le financement de ces travaux a été assuré par la division Sciences des matériaux du Bureau des Sciences des Énergies de Base du Ministère de l’Énergie américain.