Des batteries presque éternelles à partir de déchets nucléaires !

Le carbonecarbone 14 (¹⁴C). C'est l'un des isotopesisotopes du carbone naturellement présent dans notre environnement. Il se forme à partir d'atomesatomes d'azoteazote 14 (¹⁴N) présents dans la haute atmosphèreatmosphère. Lorsqu'ils sont frappés par des rayons cosmiquesrayons cosmiques. Mais le ¹⁴C se forme aussi de manière plus artificielle. Au cœur de certains réacteurs nucléaires. Or, le carbone 14 est radioactif. C'est un avantage pour le ¹⁴C naturel. Les scientifiques l'exploitent d'ailleurs depuis longtemps pour dater toutes sortes d'objets. Des œuvres d'art aux fossilesfossiles. Mais lorsqu'il est question du ¹⁴C produit dans les centrales nucléairescentrales nucléaires, c'est plutôt un inconvénient. Parce que même si sa radioactivitéradioactivité est « faible », sa duréedurée de vie est longue. De l'ordre de 5.700 ans. De quoi faire du carbone 14 un déchetdéchet radioactif embarrassant.

Et c'est justement alors que le programme de démantèlement des plus anciennes centrales nucléaires du Royaume-Uni venait de commencer que des chercheurs de l'université de Bristol se sont demandé s'ils ne pouvaient pas trouver une solution pour réemployer ce carbone 14. Car selon eux, la quantité de ¹⁴C à recyclerrecycler dans les dix à quinze prochaines années serait énorme. Le recycler permettrait de réduire considérablement la radioactivité du matériaumatériau restant. Ainsi que la durée et le coût des opérations de démantèlement.

Ce que les chercheurs envisagent, c'est d'extraire le carbone 14 des blocs de graphitegraphite issus des anciens réacteurs nucléaires pour en faire des diamants artificiels. Quel intérêt ? Transformer ces diamantsdiamants radioactifs en batteries... presque éternelles ! Parce que le diamant peut se comporter comme un semi-conducteursemi-conducteur. Un peu comme le siliciumsilicium qui permet de produire de l'électricité photovoltaïque à partir de l'énergieénergie reçue du soleilsoleil, le diamant produit de l'électricité bêtavoltaïque à partir de l'énergie émise par la désintégration radioactive du ¹⁴C.

Pour fabriquer des diamants artificiels, les chercheurs comptent classiquement sur un procédé dit de dépôt chimique en phase vapeur. À température élevée, il permet de faire croître un film de diamant à partir d'un mélange de plasma d'hydrogènehydrogène et de méthane. Les chercheurs de l'université de Bristol l'ont adapté pour pouvoir faire croître des diamants radioactifs en utilisant du méthane contenant l'isotope radioactif du carbone qui se trouve sur des blocs de graphite de réacteur irradiés. Le diamant utilisé dans les batteries est ainsi constitué de fines couches de gros grains cristallins. Une structure également conçue pour empêcher les fuites de rayonnement et minimiser le danger pour la santé humaine. « Les particules bêtabêta de carbone 14, bien qu'énergétiques, ne voyagent pas très loin. Ces particules étant encapsulées dans une matrice dense, la probabilité que la batterie émette un rayonnement d'une manière qui pénétrerait la peau humaine devient négligeable », promettent les chercheurs.

Des prototypes de batteries au diamant radioactif développées par les chercheurs de l’université de Bristol ont été testés pour alimenter des capteurs livrés par drone au sommet d’un volcan actif. © ftomarchio, Adobe Stock

Encore des progrès à faire

Mais n'espérez tout de même pas là la solution miracle à la fois à nos problèmes de gestion des déchets nucléairesdéchets nucléaires et à nos problèmes de production d'électricité. Notamment parce que ces batteries au diamant radioactif sont bien moins efficaces que les autres. La capacité de stockage d'une pile AA, par exemple, est de l'ordre de 700 joulesjoules par gramme (J/g). Celle annoncée d'une batterie au diamant radioactif serait d'environ 15 J/g. Toutefois la première s'épuise en un jour seulement alors que la seconde peut tenir près de 6.000 ans avant que le courant produit soit divisé par deux.

Autres atouts des batteries au diamant radioactif : leur petite taille et leur robustesse. Elles tiennent dans moins d'un centimètre cube. Et elles ne sont sensibles ni aux hautes températures -- elles peuvent supporter jusqu'à 700 °C --, ni à l'humidité, ni aux environnements corrosifs. De quoi imaginer les utiliser pour alimenter de petits détecteurs ou des implantsimplants médicaux, par exemple.

Une société basée en Californie a déjà annoncé il y a quelques mois avoir mis au point des prototypes de telles batteries nucléaires. De son côté, Arkenlight, la société qui travaille au développement industriel de l'idée des chercheurs de l'université de Bristol espère commercialiser un premier produit dès la fin 2023. D'ici, les ingénieurs vont travailler à associer plusieurs batteries en une seule cellule qui, équipée d'un petit supercondensateur, pourrait permettre d'améliorer les performances du système. Pour aller, pourquoi pas, jusqu'à alimenter un smartphone.

Et d'autres batteries de ce type pourraient voir le jour également dans les mois à venir. Toujours des batteries qui compteraient sur la radioactivité. Des batteries radiovoltaïques. Comme celle aussi imaginée par les chercheurs de l'université de Bristol qui convertirait cette fois le rayonnement gamma en électricité. Des systèmes fonctionnant à partir de la radioactivité ambiante dans certains environnements et qui pourraient alimenter des détecteurs dans des dépôts de déchets nucléaires, par exemple.

Des piles en diamant faites de déchets radioactifs...

Des chercheurs britanniques proposent de fabriquer des piles faites de diamants renfermant un cœur de carbone-14 radioactif, un matériau provenant du graphite de centrales nucléaires démantelées. Aucune substance chimique, aucune pièce mobile : juste un cristal de carbone qui génère de l'électricité durant des milliers d'années. C'est donc un générateur bêtavoltaïquegénérateur bêtavoltaïque. On attend, cependant, de mieux comprendre et de voir au moins un prototype...

Article de Jean-Luc GoudetJean-Luc Goudet paru le 29/01/2017

Un diamant de carbone radioactif produirait de l'électricité. Voilà une pile élégante et utile puisqu'elle serait faite avec des déchets nucléaires. © Nafets, Pixabay, DP

Tom Scott, spécialiste des métauxmétaux radioactifs à l'université de Bristol, a fait sensation lors de la session 2016 des colloques « Des idées pour changer le monde ». La sienne, résumée dans une vidéo en anglais, est d'utiliser un déchet radioactif issu des centrales nucléaires fermées pour produire de l'électricité. Il s'agit en l'occurrence du carbone-14 qui se forme dans les barres de graphite (du carbone) servant de modérateur au cœur des centrales nucléaires britanniques. Le Royaume-Uni en aurait un stock de 95.000 tonnes.

Selon Tom Scott, c'est sur la surface de la barre que se forme cet isotope radioactif du carbone. Il explique qu'il doit donc être possible de le prélever facilement en chauffant, le ¹²C stable se trouvant à l'intérieur. Transformé en gazgaz, ce carbone-14 servirait à fabriquer des diamants radioactifs. Sa conférence au colloque était d'ailleurs baptisée Diamonds are forever... Comme cette radioactivité « bêta moins » est constituée d'électronsélectrons, voilà un générateur. Le principe est connu depuis des lustres : c'est celui du générateur bêtavoltaïque, qui produit donc son électricité directement. La demi-viedemi-vie du carbone-14 étant de 5.730 ans, cette « pile » produit des électrons durant des milliers d'années. Ce qui la rendrait bien commode.

Une image extraite de la vidéo visible dans le communiqué de l'université. Elle montre l'encapsulage du diamant radioactif et producteur d'électricité (en gris) bientôt encapsulé dans un autre diamant synthétique fait de carbone non radioactif (en vert). À l'instar de ce dessin sommaire, l'étude en est pour l'instant aux schémas... © Université de Bristol

La pile-diamant pourrait servir dans l'espace et dans le corps humain

Reste que personne n'a réussi à réaliser un tel générateur efficace, malgré les efforts de chercheurs comme Jae W. Kwon, à l'université du Missouri. Alors que penser de l'annonce de Tom Scott ? D'après le communiqué de l’université de Bristol, il n'utilise pas le carbone-14 mais prévoit seulement de le faire. Pour l'instant, son laboratoire travaille avec du nickelnickel-63. Il lui faudra rendre le diamant conducteur, ce que l'on sait faire. Il faudra ensuite, comme le montre la vidéo, encapsuler ce diamant radioactif dans un autre, plus grand, chargé la radioactivité bêta... mais qui devra laisser sortir les électrons.

Quelle puissance ? Quel coût ? Quelles utilisations ? Tom Scott, qui n'a pas publié ses résultats, ne donne pas de précisions. Il évoque les engins spatiaux et les implants médicaux, qui pourraient ainsi fonctionner des années. Pour trouver des idées, il en demande aux internautes en leur proposant de se rassembler derrière le hashtag #diamondbattery.