Des chercheurs de Saskatoon identifient une nouvelle vitrocéramique pour stocker les déchets nucléaires

Deux chimistes de l'Université de la Saskatchewan viennent de publier une étude qui pourrait aider à mieux stocker les déchets nucléaires tout en préservant l’environnement, véritable défi pour les sociétés qui veulent trouver une alternative aux énergies fossiles.

Mehrnaz Mikhchian et Andrew Grosvenor se sont penchés sur une nouvelle vitrocéramique à base de zirconolite. Les deux chercheurs de Saskatoon sont particulièrement intéressés par la capacité du matériau à résister à la corrosion.

Il faut dire que le développement de l'énergie nucléaire, souhaité par de nombreux pays pour remplacer l'exploitation des énergies fossiles, génère des déchets dont l'entreposage et le stockage restent un défi technique.

Plusieurs solutions ont été imaginées ces dernières décennies pour isoler durablement ces déchets de l'environnement. En particulier, ce sont les déchets radioactifs dits de haute activité qui reçoivent beaucoup d’attention.

Stocker efficacement

Mehrnaz Mikhchian, chercheuse en chimie à l'Université de la Saskatchewan et autrice de l'étude, explique que « les projets de séquestration des déchets nucléaires sont pensés selon un concept de barrières multiples », soit des conteneurs et des protections artificielles à la roche.

Au Canada, la Société de gestion des déchets nucléaires prévoit d'entreposer ces déchets dans une couche géologique profonde, sans traitement particulier.

Ailleurs dans le monde, en Australie, en Europe ou aux États-Unis, une phase de transformation, la vitrification, est ajoutée : les déchets sont fondus dans un matériau, du verre ou de la céramique, qui, en refroidissant, les préserve des influences extérieures tout en protégeant l'environnement des radiations qu'ils émettent.

Un matériau prometteur

L’un de ces matériaux, les vitrocéramiques, constitue depuis plusieurs décennies une piste intéressante pour stocker les déchets de haute activité.

Ces vitrocéramiques sont composées de microcristaux intégrés dans une matrice de verre. Toutefois, plusieurs de leurs caractéristiques restent encore mystérieuses.

« L'intensité des dégâts causés par les radiations sur le composite, d'abord, puis leur capacité à résister à la corrosion, c'est-à-dire l'exposition à l'eau », sont encore mécomprises, note Andrew Grosvenor, professeur à l'Université de la Saskatchewan et co-auteur de l'étude.

Car, comme le détaille sa collègue Mehrnaz Mikhchian, une fois les déchets vitrifiés et enfouis dans une couche géologique, « vous pouvez vous trouver en présence d'eaux souterraines dont il va falloir préserver les déchets ».

Mehrnaz Mikhchian devant le four servant à fondre les vitrocéramiques pour ses expériences. PHOTOS Crédits : Lambert Baraut-Guinet

L'eau, lorsqu'elle se trouve en contact prolongé avec un matériau, cause des dégâts : « C'est pour cette raison que nous travaillons sur les effets de la corrosion », conclut la chercheuse.

Une longue liste de contraintes

« Le composite vitrocéramique ressemble un peu à un cookie », explique Andrew Grosvenor, évoquant les cristaux intégrés à la matrice de verre à la manière de pépites de chocolat dans une pâte à biscuit.

« C'est la combinaison du meilleur des deux mondes », ajoute le chimiste. Les cristaux, en l’occurrence de la zirconolite, un titanate de calcium et de zirconium, peuvent accommoder les éléments chimiques lourds en bonne quantité, et la matrice de verre peut contenir le reste.

« Ne reste plus qu'à vérifier que l'assemblage résiste à la corrosion, poursuit le chercheur. Ce nouveau composite va-t-il se comporter au moins aussi bien au contact de l'eau que ses deux composants individuellement, ou va-t-il se dissoudre plus rapidement ? »

Une expérience sur le long terme

Scott Kroeker, professeur de chimie à l'Université du Manitoba, souligne que « l'idée de tirer avantage des qualités des cristaux et du verre dans un composite n'est pas nouvelle, mais elle n'avait jusque-là pas été approfondie, en partie parce que l'on pensait que les interfaces entre les deux phases provoqueraient une forte dissolution. »

C'est pour cette raison que les deux chercheurs de l’Université de la Saskatchewan ont plongé des poudres de leur vitrocéramique dans l'eau pendant un an, prélevant des fractions de l'un ou de l'autre pour suivre leur évolution chimique.

Et mise à part une faible corrosion les premières semaines, la vitrocéramique ne s'est presque pas dégradée.

« C'est une excellente nouvelle qu'aucune observation inattendue n'ait été faite sur une année », souligne Scott Kroeker. Cela montre en effet que le composite n'est pas intrinsèquement moins durable que chacun des matériaux qui le composent.

« C'est un résultat qui pose les bases pour de futurs travaux », confirme Andrew Grosvenor, qui tempère cette trouvaille en mentionnant qu’il reste encore de nombreuses inconnues, notamment quant à la réaction de ces vitrocéramiques à l'exposition réelle à des déchets nucléaires de nature variable.

Le professeur Jamie Noël, chimiste à l'Université de l'Ontario de l'Ouest, confirme cette vision, mentionnant que si « ce travail est une avancée, […] il reste encore d'importantes choses à déterminer avant d'arriver aux applications ».

« Ils ont étudié la dégradation du matériau vierge, ajoute Jamie Noël, pas celle du matériau chargé d'actinides ou d'ions de fission. Une fois chargé, son comportement de dégradation pourrait être tout à fait différent. »

S’il reste plusieurs éléments à étudier, les travaux des deux chercheurs de Saskatoon semblent tout de même paver la route pour de nombreuses autres découvertes.