Des scientifiques transforment des déchets nucléaires en batteries au diamant qui durent des milliers d’années

déchets nucléaires en batteries au diamant

L’énergie nucléaire est considérée comme une source d’énergie propre parce qu’elle n’émet aucune émission de dioxyde de carbone; pourtant, en même temps, il produit des quantités massives de déchets radioactifs dangereux qui s’accumulent à mesure que de plus en plus de réacteurs sont construits dans le monde.

Les experts ont proposé différentes solutions à ce problème afin de mieux prendre soin de l’environnement et de la santé des personnes. Avec un espace de stockage sûr insuffisant pour l’élimination des déchets nucléaires, le point central de ces idées est la réutilisation des matériaux.

Les batteries au diamant radioactif ont été développées pour la première fois en 2016 et ont été immédiatement plébiscitées car elles promettaient une nouvelle façon rentable de recycler les déchets nucléaires. Dans ce contexte, il est inévitable de se demander s’ils sont la solution ultime à ces résidus toxiques et mortels.

Que sont les piles diamant radioactives ?

Les batteries au diamant radioactif ont d’abord été développées par une équipe de physiciens et de chimistes du Cabot Institute for the Environment de l’Université de Bristol. L’invention a été présentée comme un dispositif bêtavoltaïque, ce qui signifie qu’il est alimenté par la désintégration bêta des déchets nucléaires.

La désintégration bêta est un type de désintégration radioactive qui se produit lorsque le noyau d’un atome contient un excès de particules et en libère certaines pour obtenir un rapport plus stable entre les protons et les neutrons. Cela produit une sorte de rayonnement ionisant appelé rayonnement bêta, qui implique beaucoup d’électrons ou de positrons à haute vitesse et à haute énergie appelés particules bêta.

Les particules bêta contiennent de l’énergie nucléaire qui peut être convertie en énergie électrique grâce à un semi-conducteur.

Une cellule bêtavoltaïque typique est constituée de fines couches de matière radioactive placées entre des semi-conducteurs. Au fur et à mesure que la matière nucléaire se désintègre, elle émet des particules bêta qui libèrent des électrons dans le semi-conducteur, créant un courant électrique.

Cependant, la densité de puissance de la source radioactive est d’autant plus faible qu’elle est éloignée du semi-conducteur. De plus, comme les particules bêta sont émises de manière aléatoire dans toutes les directions, seul un petit nombre d’entre elles heurtera le semi-conducteur, et seul un petit nombre d’entre elles seront converties en électricité. Cela signifie que les batteries nucléaires sont beaucoup moins efficaces que les autres types de batteries. C’est là qu’intervient le diamant polycristallin (PCD).

Les batteries au diamant radioactif sont fabriquées à l’aide d’un procédé appelé dépôt chimique en phase vapeur, qui est largement utilisé pour la fabrication de diamants artificiels. Il utilise un mélange de plasma d’hydrogène et de méthane pour faire croître des films de diamant à des températures très élevées. Les chercheurs ont modifié le procédé CVD pour faire croître des diamants radioactifs en utilisant un méthane radioactif contenant l’isotope radioactif Carbone-14, qui se trouve sur des blocs de graphite de réacteur irradiés.

Le diamant est l’un des matériaux les plus durs que l’humanité connaisse – il est encore plus dur que le carbure de silicium. Et il peut agir à la fois comme source radioactive et comme semi-conducteur. Exposez-le au rayonnement bêta et vous obtiendrez une batterie longue durée qui n’a pas besoin d’être rechargée. Les déchets nucléaires à l’intérieur l’alimentent encore et encore, lui permettant de se recharger pendant des siècles.

Cependant, l’équipe de Bristol a averti que leurs batteries au diamant radioactif ne conviendraient pas aux ordinateurs portables ou aux smartphones, car elles ne contiennent qu’1 g de carbone 14, ce qui signifie qu’elles fournissent une très faible puissance – seulement quelques microwatts, ce qui est moins qu’un typique Pile AA. Par conséquent, leur application est jusqu’à présent limitée aux petits appareils qui doivent rester longtemps sans surveillance, tels que les capteurs et les stimulateurs cardiaques.

Piles radioactives au nano-diamant

Les origines des batteries nucléaires remontent à 1913, lorsque le physicien anglais Henry Moseley a découvert que le rayonnement des particules pouvait générer un courant électrique. Dans les années 1950 et 1960, l’industrie aérospatiale était très intéressée par la découverte de Moseley, car elle pouvait potentiellement propulser des engins spatiaux pour des missions de longue durée. La RCA Corporation a également recherché une application pour les piles nucléaires dans les récepteurs radio et les prothèses auditives.


Mais d’autres technologies étaient nécessaires pour développer et pérenniser l’invention. À cet égard, l’utilisation de diamants synthétiques est considérée comme révolutionnaire, car elle assure la sécurité et la conductivité de la batterie radioactive. Avec l’ajout de la nanotechnologie, une société américaine a construit une batterie nano-diamant haute puissance.

Un prototype de la batterie bêtavoltaïque au carbone 14 d’Arkenlight. (CRÉDIT : Université de Bristol)

Les batteries nano-diamant de NDB sont décrites comme des batteries voltaïques alpha, bêta et neutron et ont plusieurs nouvelles fonctionnalités selon leur site Web.

  1. Durabilité. L’entreprise calcule que les batteries pourraient durer jusqu’à 28 000 ans, ce qui signifie qu’elles pourraient alimenter de manière fiable des véhicules spatiaux dans des missions de longue durée, des stations spatiales et des satellites. Les drones, les voitures électriques et les avions sur Terre n’auraient jamais besoin de s’arrêter pour être rechargés.
  2. Sécurité. Le diamant n’est pas seulement l’une des substances les plus dures, mais aussi l’un des matériaux les plus thermiquement conducteurs au monde, ce qui aide à protéger contre la chaleur produite par les radio-isotopes avec lesquels la batterie est construite, la transformant en courant électrique très rapidement.
  3. Respect du marché. Les couches minces de PCD dans ceux-ci permettent à la batterie de permettre différentes formes et formes. C’est pourquoi les batteries au nano-diamant peuvent être polyvalentes et pénétrer différents marchés, des applications spatiales susmentionnées à l’électronique grand public. La version grand public ne durerait cependant pas plus d’une décennie.

Les batteries au nano-diamant devraient arriver sur le marché en 2023.

Arkenlight, la firme anglaise qui commercialise la batterie au diamant radioactif de Bristol, prévoit de lancer son premier produit, une microbatterie, sur le marché à la fin de 2023.

L’avenir des batteries à base de diamant radioactif

La portabilité des appareils électroniques modernes, la popularité croissante des véhicules électriques et la course du 21e siècle pour emmener l’humanité dans de longues missions spatiales vers Mars ont suscité un intérêt croissant pour la recherche sur la technologie des batteries au cours des dernières années.

Certains types de batteries sont plus appropriés pour certaines applications et moins utiles pour d’autres. Mais nous pouvons dire que les batteries lithium-ion conventionnelles que nous connaissons ne seront pas remplacées de sitôt par des batteries au diamant radioactif.

Les batteries conventionnelles durent moins longtemps, mais elles sont également beaucoup moins chères à fabriquer. Cependant, en même temps, le fait qu’ils ne durent pas aussi longtemps (ils ont une durée de vie d’environ cinq ans) est problématique, car ils produisent aussi beaucoup de déchets électroniques, qui ne sont pas faciles à recycler.

Les batteries au diamant radioactif sont plus pratiques, car elles ont une durée de vie beaucoup plus longue que les batteries conventionnelles. S’ils peuvent être développés en une batterie universelle, comme le propose NDB Inc., nous pourrions nous retrouver avec des batteries de smartphone qui durent beaucoup plus longtemps que la durée de vie du smartphone, et nous pourrions simplement changer la batterie d’un téléphone à l’autre, autant que nous transférons maintenant la carte SIM.

Cependant, la bêtavoltaïque au diamant développée par Arkenlight n’ira pas aussi loin. La société travaille sur des conceptions qui empilent beaucoup de leurs batteries bêta au carbone 14 dans des cellules. Pour fournir une décharge à haute puissance, chaque cellule pourrait être accompagnée d’un petit supercondensateur, qui pourrait offrir une excellente capacité de décharge rapide.

Cependant, cette matière radioactive a également une durée de vie de plus de 5000 ans. Si ce rayonnement devait s’échapper de l’appareil sous forme gazeuse, cela pourrait être un problème. C’est là que les diamants entrent en jeu. Dans la formation des diamants, le C-14 est un solide, il ne peut donc pas être extrait et absorbé par un être vivant.

L’Autorité de l’énergie atomique du Royaume-Uni (UKAEA) a calculé que 100 livres (environ 45 kg) de carbone 14 pourraient permettre la fabrication de millions de batteries à base de diamant de longue durée. Ces batteries pourraient également réduire les coûts de stockage des déchets nucléaires.

Le professeur Tom Scott, chercheur à l’Université de Bristol, a déclaré à Nuclear Energy Insider : « En retirant le carbone 14 du graphite irradié directement du réacteur, cela rendrait les déchets restants moins radioactifs et donc plus faciles à gérer et à éliminer. Les estimations de coûts pour l’élimination des déchets de graphite sont de 46 000 livres (60 000 $) par mètre cube pour les déchets de niveau intermédiaire [ILW] et de 3 000 livres (4 000 $) par mètre cube pour les déchets de faible activité [LLW].

Toutes ces caractéristiques n’en font-elles pas l’une des meilleures options pour l’avenir durable dont nous avons besoin ? Nous devrons attendre et voir si les fabricants peuvent trouver un moyen de gérer les coûts de production et la faible production d’énergie, et de mettre leurs batteries à base de diamant sur le marché de manière rentable et accessible.