13/03/2012 - Carburant nucléaire - Une nouvelle matière améliore la capture de l'iode radioactive

Menéame

Aux États-Unis, une équipe de chercheurs du Laboratoire national de Sandia (LNS) a ouvert une nouvelle route vers la capture et le stockage de l’iode radioactifs, un dangereux sous-produit de la production d’énergie nucléaire.

L’équipe, dirigée par Tina Nenoff, chercheur du groupe des matériaux inorganiques Cristalins Porosos, a récemment publié dans le Journal scientifique de l’American Chemical Society les résultats de ses recherches sur une nouvelle utilisation des structures métalliques organiques (MOF). Selon Nenoff, cela permettrait d’améliorer la partie du processus de traitement des déchets à haute activité produits dans les réacteurs nucléaires, qui sépare l’iode volatil des produits de fission utilisables dans le combustible nucléaire usé, tels que l’uranium et le plutonium, de sorte qu’une partie de ce combustible puisse être réutilisée.

En plus de s’appliquer au retraitement, ce développement a également un potentiel pour la création de capteurs et même pour la fabrication des masques des opérateurs responsables d’un accident radiologique.

Los MOF sont des composés cristallines constitués d’un ou de plusieurs ions métalliques coordonnés par des molécules organiques appelées 'linker' qui forment des structures poreuses jusqu'à trois dimensions. Selon le métal utilisé, la taille et la forme des pores varient, et les propriétés de chaque MOF peuvent être différentes. Par exemple, en permettant à certaines molécules de passer à travers leurs pores en fonction de la taille, elles servent à séparer des gaz, mais aussi à les stocker, les ligant à leur "cadre ," comme dans le cas de l’hydrogène et du dioxyde de carbone et, maintenant, de l’iode.

Bien qu’il ne s’agisse pas d’une composante majoritaire, la gestion de l’iode radioactif est un aspect crucial car il s’agit d’un gaz à grande mobilité et à très longue durée de vie, car il peut prendre plus de 15 millions d’années pour réduire son activité.

Avant de développer ce nouveau matériel (appelé ZIF-8) capable de l’attraper, les chercheurs ont étudié d’autres alternatives, telles que les zéolites avec des composants en argent, qui sont aussi des matériaux cristallines, poreux et avec une structure d’ouverture régulière. Sa stabilité mécanique, thermique et chimique élevée en fait de très bonnes candidates à cette fonction; en fait, l’un des principaux produits utilisés pour l’absorption de gaz halogènes comme l’iode est la Mordernita (MOR).

En plus de cela, il existe de nombreux " cadres " capables d’attraper et de retirer l’iode d’un flux de combustible usé, mais ils ont besoin d’un additif d’argent pour bien fonctionner. En particulier, la version de MOR mise sur le marché par l’entreprise de l’Union contient entre 9 et 15 pour cent de cet élément. L’inconvénient réside dans le fait que l’argent est cher et peut causer des dommages environnementaux.

"La tendance dans le domaine est à l’utilisation de composants qui, outre qu’ils sont plus efficaces et plus aptes à l’usage industriel, ont moins d’impact sur l’environnement," affirme Emilio Minguez, professeur du département de l’ingénierie nucléaire de l’École supérieure des ingénieurs industriels de l’Université polytechnique de Madrid (UPM), en Espagne.

En suivant cette tendance, Nenoff a mis l’accent sur la création de matériaux qui ne contiennent pas d’argent mais qui fonctionnent comme les zéolites et qui ont une capacité supérieure à celle-ci pour attraper les molécules de gaz. Pour y parvenir, les scientifiques de Sandia ont exploré la façon dont la zéolite absorbe l’iode et ont utilisé les "composants critiques" qu’ils ont découverts pour développer le meilleur MOF pour cette fonction, le ZIF-8, qui a été choisi par la taille de ses pores, sa vaste surface active et sa stabilité chimique et thermique.

Les chercheurs ont utilisé diverses techniques, dont une basée sur la diffraction des rayons X à haute résolution, pour observer à quels points la liaison des molécules d’iode au sein du ZIF-8 est la plus favorable. En combinant des approches informatiques et expérimentales, l’équipe de Sandia a mis en contact un flux de gaz d’iode (non radioactifs dans son expérience) avec des échantillons de poudre de ZIF-8 dans une chambre d’absorption scellée, et dans les conditions habituelles auxquelles le retraitement de carburant est habituellement effectué (77 degrés Celsius et pression ambiante). Entre 5 et 12 heures plus tard, la capacité maximale d’absorption du matériau avait été atteinte et la quantité d’iode capturée s ’, qui était la plus élevée jamais atteinte par une structure MOF.

Dans d’autres études précédentes, la captation a été réversible et des pertes de gaz ont été décelées lorsque le procédé a été effectué à température ambiante. L’équipe de Nenoff a maintenant démontré que le gaz reste pris dans la structure de ZIF-8 jusqu'à atteindre des températures supérieures à 300 °C, au moment où le cadre se décompose. Après avoir dépassé 302 °C et détruit la structure métallique, il n’a pas été détecté de rejet du gaz qui avait été pris dans les pores. En fait, les chercheurs pensent que le résultat de l’utilisation du ZIF-8 peut être incorporé dans une forme cristalline stable de déchets pour le stockage à long terme.

Dans une étude précédente publiée dans la revue scientifique Industriel and Engineering Chemistry Research, ils ont étudié la synthèse et la caractérisation des résidus sous forme de matériau composite en verre (GCM) contenant l’iode lié à une MOF pour l’encapsulation sûre du gaz volatil. "Il est vrai que ce matériel est particulièrement bon pour attraper de l’iode," affirme Mínguez. "Son efficacité dépasse de nombreux systèmes actuels, mais il faut tester ses caractéristiques dans le milieu où il va être utilisé, au niveau industriel, en dehors du laboratoire," précise le chercheur.

Les chercheurs de Sandia conviennent que ZIF-8 est encore en phase de recherche et qu’il faut faire un test radiologique réel dans lequel un flux de gaz contenant de l’iode radioactifs coule en permanence sur un lit de " boules " de la MOF pour en extraire l’iode.

" Dans l’activité réelle, une fois cassée la gaine contenant le combustible usé, il faudrait trouver le moyen de canaliser le gaz radioactifs en faisant une matrice comme celle-ci pour que l’iode soit capturé," commente Mínguez. L’expert de l’UPM apprécie la capacité de séparer le gaz volatile d’iode et de l’attraper dans une structure stable et estime que son application la plus prometteuse serait dans le domaine du retraitement. Toutefois, Mínguez rappelle qu’il reste encore des défis à relever, tels que la séparation sélective des autres composantes du combustible lui-même.

L’équipe de Sandia vient de présenter le brevet du ZIF-8 et espère pouvoir le fabriquer bientôt sous la forme de " boules " plus cohérentes et avec plus de surface utilisable que la légère poudre blanche qui est maintenant. Nenoff prévoit que les entreprises de retraitement du combustible mondial et les entreprises qui développent des technologies de sûreté radiologique (par exemple, des masques de protection) pourraient être leurs principaux clients à l’avenir. "Le prix chutera certainement si la fabrication à l’échelle de l’une de ces applications est garantie," affirme Nenoff, qui estime qu’elle pourrait devenir similaire à celle de la Basolite Z1200, une structure MOF fabriquée en vrac par l’un de ces systèmes.

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