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Des piles en diamant… faites à partir de déchets nucléaires

Encapsuler les déchets radioactifs dans des diamants pour créer des piles capables de générer de l’électricité à vie : voilà le sujet de recherche passionnant d’une équipe de l’Université de Bristol (Royaume-Uni). Ce développement pourrait en partie apporter des solutions à la question des déchets nucléaires et à celle de l’électricité propre.

Avant de nous pencher sur la recherche de l’Université de Bristol, faisons d’abord connaissance avec le concept et les atouts des piles nucléaires.

Les débuts et l’utilisation actuelle

Le concept même des piles nucléaires n’est pas nouveau. Celles-ci sont déjà utilisées depuis de nombreuses années pour les missions spatiales éloignées. Dans les années 70 également, une variante plus petite a servi pour les pacemakers implantés dans le corps humain.

Actuellement, des micro-piles nucléaires sont disponibles dans le commerces aux États-Unis. Elles durent 20 fois plus longtemps que les piles classiques grâce au rayonnement radioactif du Tritium.

La technologie a entretemps sa évolué, offrant de nombreuses applications comme nous le verrons plus loin.

battery prototypes

Quelle est l’utilité des piles nucléaires ?

Leur premier atout, c’est leur durée de vie astronomique : elle est de l’ordre de milliers d’années !

Les piles nucléaires sont particulièrement  intéressantes pour les endroits difficiles d’accès. Par exemple dans les instruments de mesure en recherche sous-marine, dans l’espace ou dans les implants médicaux. En outre, leur petite dimension est également appréciée pour les endroits exigus, notamment dans les mini-processeurs et les MEMS (Micro Electronic Mechanical Systems).

Ne serait-il pas idéal d’avoir un smartphone chargé à vie ? Cette technologie révolutionnaire pourra servir à une telle multitude d’applications que nous ne pouvons même pas encore toutes les imaginer…

battery prototypes

Bien plus robustes que les piles classiques

Leur robustesse est un énorme atout. Contrairement aux piles classiques, les piles nucléaires ne sont pas sensibles aux conditions extrêmes : hautes températures (jusqu’à 700°C), humidité élevée et environnements corrosifs. Encapsulées dans les règles de l’art, les éléments radioactifs restent efficaces, en toute sécurité.

La pile nucléaire transforme le traitement des déchets nucléaires à long terme en génération d’énergie propre à long terme.

Professeur Tom Scott, Université de Bristol, Royaume-Uni.

Recherche de pointe à l’Université de Bristol : des piles en diamant qui recyclent les déchets rad

L’idée de départ ? Utiliser les déchets radioactifs pour développer un faible courant électrique que le diamant est capable de conduire. 

L’avantage est de taille puisqu’une pile nucléaire pourrait générer de l’électricité propre pendant des milliers d’années ! Et sans le moindre danger puisque la radioactivité est encapsulée dans le diamant, le matériau le plus dur connu à ce jour.

Professeur Tom Scott

La recherche, menée à l’Université de Bristol par le Professeur Tom Scott et son équipe de 12 chercheurs, se concentre sur des piles plus petites, plus efficaces, plus sûres et plus économiques.

Étant donné que la puissance d’une pile nucléaire réside dans sa densité d’énergie, elle doit impérativement être de petite dimension (on parle ici en millimètres).

Le Professeur Tom Scott a l’innovation nucléaire dans les gènes…  “J’ai grandi  près du site de Winfrith dans le Dorset, au sud du Royaume-Uni. C’est là que le riche savoir-faire nucléaire britannique a connu ses premiers développements. Pendant mes études secondaires, je suivais déjà des cours supplémentaires pour mieux comprendre ce domaine. Il est donc logique que je participe aujourd’hui à l’innovation nucléaire,” raconte-t-il.

La pile nucléaire, disponible dans le commerce aux États-Unis (copyright : City Labs)

Comment fonctionne une pile en diamant ?

L’énergie d’une pile en diamant provient des déchets radioactifs du carbone 14 (voir encadré)  En encapsulant ce matériel dans un diamant artificiel, on provoque une cascade d’électrons qui génèrent un courant électrique. Le rayonnement radioactif est absorbé par le diamant, ce qui est un gage de sûreté.

Réacteur opérationelle.

Le carbone 14 : une source d’énergie intéressante

Parmi les substances radioactives, le carbone 14 (C-14) est un bon candidat pour fabriquer des piles. Le C-14 émet uniquement des rayons bêta. Ceux-ci génèrent beaucoup d’énergie et peuvent facilement être absorbés par le diamant. Les autres éléments radioactifs, quant à eux, émettent souvent des rayons gamma, en plus des rayons bêta. Ce qui implique une barrière de protection plus importante et de là, une augmentation de la dimension de la pile et une réduction de son efficacité.

Deux petites piles nucléaires (dans les flacons), développées par l’Université de bristol (copyright : University of Bristol).

7746 années de courant généré par un diamant miniature synthétique

Les diamants utilisés pour cette technologie sont synthétiques. À la différence des diamants utilisés en bijouterie (un seul cristal), ils sont fabriqués avec différentes couches de cristaux.

Une pile en diamant fournit 15 joules d’énergie par gram. Cela correspond environ au 50ème de l’énergie fournie par une pile standard. Mais… la pile en diamant fonctionnera pendant 7746 ans avant que le courant produit ne soit diminué de moitié ! En outre, grâce ces ses dimensions minuscules (10 mm x 10 mm x 0,5 mm), elle donnera lieu à un tas d’applications.

Si nous expliquons aux gens que les déchets nucléaires peuvent être utiles, leur vision sera différente.

Professeur Tom Scott, Université de Bristol.

Le recyclage du carbone 14 réduit les déchets nucléaires

Ce concept est d’autant plus intéressant que le Royaume-Uni dispose de grandes quantités de carbone 14. Celui-ci se forme dans les barres de graphite (carbone), un matériau qui ralentit les neutrons dans les réacteurs anglais refroidis par gaz ADC, Advanced Gas Reactors).

Professeur Tom Scott

Les chercheurs de l’Université de Bristol ont récemment découvert une méthode pour réchauffer le graphite afin que le graphite radioactif s’accumule sur les bords des barres. Transformé en gaz, on peut ensuite le prélever  et l’insérer dans le diamant. Ainsi, on diminue considérablement la quantité de déchets radioactifs.

“L’industrie nucléaire se doit d’être novatrice et compétitive en permanence. La technologie nucléaire doit en effet viser plus loin que le seul prix de l’électricité. Actuellement, les déchets nucléaires ont peu de valeur et nous devons changer cela. Si nous expliquons aux gens que les déchets nucléaires peuvent être utiles, leur vision sera différente. L’utilisation des piles nucléaire dans les pacemaker améliorent la vie des patients. Voilà le message que nous devons faire passer,” explique le Professeur Tom Scott.

Où la recherche en est-elle ?

Deux prototypes de piles en diamant ont déjà été développés. Actuellement, les chercheurs se penchent sur des versions plus complexes et plus efficaces. On étudie notamment la possibilité de générer plus de courant en juxtaposant plusieurs piles, comme c’est déjà le cas pour les piles classiques.  Les fabricants de smartphones, par exemple, montrent un vif intérêt pour l’utilisation de piles nucléaires.

La pile en diamant est-elle rentable ?

C’est l’extraction du gaz, issu des déchets nucléaires, qui constitue le coût le plus important dans le développement des piles nucléaires. Mais étant donné que le carbone 14 provient des déchets radioactifs, le projet est financièrement intéressant en soi : grâce à la réduction du coût du stockage des déchets, la pile en diamant sera certainement une solution rentable.

Plus d’infos sur :

https://www.youtube.com/watch?v=AmQ2hMaJ9ic


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