Jusqu'ici le consensus
s'était fait dans la communauté scientifique sur la nécessité
de séparer les diverses composantes du combustible usagé
des centrales nucléaires (retraitement) et de fixer les isotopes
les plus dangereux dans des matériaux qui devraient résister
à l'épreuve du temps. On pensa d'abord à les vitrifier,
mais tout porte à croire que le verre ne résisterait pas
suffisamment à l'humidité et que les eaux présentes
dans les couches géologiques où l'on enfermerait les déchets
finiraient par se charger de radioactivité.
Une alternative fut proposée, qui consiste à fixer les radioéléments dans des zircons, c'est-à-dire des céramiques composées d'oxygène, de silicium et de zirconium. Ces matériaux sont bien connus des scientifiques dans la mesure où ils servent souvent à dater des couches géologiques. Pratiquement, en effet, ils sont aussi vieux que la Terre elle-même. Un gage de stabilité donc, encore renforcé par le fait qu'il existe des zircons naturels contenant des matériaux radioactifs comme l'uranium et le thorium. On se livra toutefois à des études poussées sous la forme de simulations afin d'établir le risque de voir le matériau détruit par les radiations. Il faut savoir en effet que le phénomène fut observé dans les réacteurs américains destinés à produire les composantes des premières bombes atomiques. On disait alors que les matériaux souffraient de la maladie de Wigner, du nom du physicien qui la décrivit. On estima ainsi que chaque particule alpha émise par le déchet radioactif déplacerait quelque 1.000 à 2.000 atomes, un risque que l'on estima tout à fait acceptable. Mais il ne s'agissait que d'une estimation. En collaboration avec des collègues du Pacific Northwest National Laboratory (USA), le Pr Ian Farma, de l'université anglais de Cambridge décida de procéder à une vérification expérimentale en introduisant une forte dose de plutonium 239 dans un zircon et en observant celui-ci dans un appareil de résonance magnétique. Une expérimentation très difficile à mettre en place, mais le jeu en valait la chandelle: il s'avéra que les particules alpha émises par ce produit ainsi que par l'uranium 235 dans lequel il commence par se transformer avant de perdre sa radioactivité, ces particules donc déplacent chacune près de 5.000 atomes. Soit significativement plus que prévu. Pour paraphraser l'éditorial de Nature, c'était comme envoyer un boulet de canon sur une piste de danse bondée. Avec pour conséquence que le zircon devrait perdre sa structure cristalline parfaite après 210 ans et sa stabilité après quelque 1.400 ans. Ces délais peuvent sembler longs. Mais il faut savoir que le plutonium (qui n'est pas nécessairement le déchet le plus dangereux, mais c'est celui qui est le plus politiquement sensible, en raison sans doute de son passé militaire) a une demi-vie de 24.110 ans. Qu'en d'autres termes, il lui faut toutes ces années pour perdre la moitié de sa radioactivité. A cette échelle le zircon fait donc pâle figure. Les techniciens du nucléaire pourraient donc bien revoir une fois de plus leur copie. ANGLAIS Published online: 10 January 2007; | doi:10.1038/news070108-6 The atomic order of a
ceramic is muddled into a glassy mess by radiation.
|
Current plans for disposal
of some of the most dangerous material generated in nuclear power plants,
such as radioactive elements extracted from spent fuel rods, differ from
one country to another. A common strategy being explored is to encase the
waste in a hard, crystalline ceramic material — a kind of synthetic rock
— and then put it in steel canisters and bury them in cavities excavated
underground.
Because many radioactive substances continue emitting radiation for a very long time, the containment must persist for an awesome duration. Plutonium-239, one of the most deadly by-products of nuclear power, has a half-life of 24,000 years, meaning that only half of any initial batch has decayed over this time. Ideally it should stay put for about ten times as long: a quarter of a million years. Candidate ceramic
Hit and run
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Letter
Nature 445, 190-193
(11 January 2007) | doi:10.1038/nature05425; Received 30 June 2006; Accepted
3 November 2006
Quantification
of actinide alpha-radiation damage in minerals and ceramics, Ian
Farnan1, Herman Cho2 and William J. Weber2
1. Department of Earth Sciences,
University of Cambridge, Downing Street, Cambridge, CB2 3EQ, UK
2. Pacific Northwest National Laboratory,
Richland, Washington 99352, USA
Correspondence to:
Correspondence and requests for materials should
be addressed to Ian Farnan (Email: ifarnan@esc.cam.ac.uk).
There are large amounts
of heavy alpha-emitters in nuclear waste and nuclear materials inventories
stored in various sites around the world. These include plutonium and minor
actinides such as americium and curium. In preparation for geological disposal
there is consensus that actinides that have been separated from spent nuclear
fuel should be immobilized within mineral-based ceramics rather than glass
because of their superior aqueous durability and lower risk of accidental
criticality. However, in the long term, the alpha-decay taking place in
these ceramics will severely disrupt their crystalline structure and reduce
their durability. A fundamental property in predicting cumulative radiation
damage is the number of atoms permanently displaced per alpha-decay. At
present, this number is estimated to be 1,000–2,000 atoms/alpha in zircon4.
Here we report nuclear magnetic resonance, spin-counting experiments that
measure close to 5,000 atoms/alpha in radiation-damaged natural zircons.
New radiological nuclear magnetic resonance measurements on highly radioactive,
239Pu
zircon show damage similar to that caused by 238U and 232Th
in mineral zircons at the same dose, indicating no significant effect of
half-life or loading levels (dose rate). On the basis of these measurements,
the initially crystalline structure of a 10 weight per cent 239Pu
zircon would be amorphous after only 1,400 years in a geological repository
(desired immobilization timescales are of the order of 250,000 years).
These measurements establish a basis for assessing the long-term structural
durability of actinide-containing ceramics in terms of an atomistic understanding
of the fundamental damage event.