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Des lasers ultra-puissants pour traiter les déchets nucléaires

Gérard Mourou
Gérard Mourou
prix Nobel de physique 2018 et membre du Haut Collège de l’École polytechnique

Il est bien con­nu que cer­tains pro­duits de la fis­sion nucléaire sont extrême­ment radioac­t­ifs. Le traite­ment des déchets issus de la fis­sion est donc l’un des défis d’un nucléaire civ­il plus souten­able. Par­mi eux se trou­ve le plu­to­ni­um (le plus con­nu) et d’autres actinides mineurs – nep­tu­ni­um, améri­ci­um et curi­um – dont on retrou­ve env­i­ron 800 grammes par tonne de com­bustible irradié. 

Aujourd’hui, ces déchets doivent être stock­és de manière sécurisée pen­dant extrême­ment longtemps car leur demi-vie (le temps passé pour que la radioac­tiv­ité soit divisée par deux) est très longue. Celle du plu­to­ni­um-239, par exem­ple, est d’environ 24 000 ans. 

À côté des solu­tions de stock­age sécurisé, on cherche aujourd’hui à « trans­muter » ces déchets afin de mieux les maîtris­er. Appliqués au plu­to­ni­um et aux autres actinides mineurs, qui sont aujourd’hui les déchets les plus dan­gereux, des lasers dits « ampli­fiés » seraient en théorie suff­isam­ment puis­sants pour pro­duire une nou­velle fission. 

Le résul­tat : trans­former les déchets issus de la fis­sion nucléaire en sous-pro­duits de masse atom­ique plus faible et de demi-vie beau­coup plus réduite. Ou, au con­traire, ajouter des par­tic­ules et obtenir ain­si un iso­tope moins radioac­t­if, avec une demi-vie très longue à une seule année.

La demie vie du plu­to­ni­um-239 est de 24 000 ans, on cherche aujourd’hui à « trans­muter » ces déchets afin de mieux les maîtriser. 

Lasers : amplifier la puissance

Pour cela, notre espoir se trou­ve dans l’amplification à dérive de fréquence ou « chirped pulsed ampli­fi­ca­tion » (CPA). Cette tech­nique per­met de pouss­er la logique de cette lumière extrême qu’est le laser jusqu’à des niveaux de puis­sance longtemps jugés inac­ces­si­bles, de l’ordre du petawatt (PW) – équiv­a­lent à 1015 watts. Pour don­ner un ordre de grandeur, 1PW est env­i­ron 50 fois la puis­sance du réseau élec­trique mon­di­al, et la puis­sance totale reçue par la Terre de la part du Soleil représente 174PW. 

L’amplification à dérive de fréquence con­siste à allonger l’im­pul­sion ultra­courte du laser en éta­lant ses dif­férentes com­posantes spec­trales, avant de l’amplifier. L’impulsion est ensuite recom­primée sur une durée très brève, mais de façon si puis­sante qu’elle per­met de pro­duire des par­tic­ules (élec­trons et pro­tons) – c’est-à-dire de les détach­er de la matière – avant de les accélér­er par des tech­niques conventionnelles. 

En pra­tique, les lasers eux-mêmes sont opéra­tionnels – ce qui n’est pas rien, car l’un des enjeux posés par une telle puis­sance est que l’émetteur ne soit pas détru­it par le ray­on­nement. Nous savons aus­si détach­er des par­tic­ules. Toute la ques­tion est désor­mais de faire la preuve de l’efficacité : c’est-à-dire de les pro­duire de façon com­pacte, mas­sive, abon­dante, et sans con­som­mer trop d’énergie au pas­sage. C’est toute la ques­tion du pas­sage au niveau indus­triel. Le pro­jet XCAN est pré­cisé­ment dédié à cette mise en pratique. 

Une solution pour contourner l’uranium 

Un laser « boosté » par la CPA est capa­ble de provo­quer une fis­sion. Il pour­rait donc servir d’alternative au bom­barde­ment par neu­trons util­isé dans les cen­trales actuelles. C’est une piste que nous explorons, et qui pour­rait se révéler déci­sive pour dévelop­per la fil­ière thorium. 

Le tho­ri­um est un métal lourd, bien plus abon­dant que l’uranium. Les pro­duits de sa fis­sion sont par ailleurs moins dan­gereux, et leur durée de demi-vie n’est que de quelques cen­taines d’années. Cette fis­sion ne pro­duit pas de plu­to­ni­um, ce qui fait du tho­ri­um un bon can­di­dat à une fil­ière nucléaire « pure­ment » civile, sans dan­ger au regard de la pro­liféra­tion des armes nucléaires.

Le prob­lème, c’est que cette fis­sion n’est pas facile à réalis­er. Par rap­port à l’uranium, il y a une étape sup­plé­men­taire. Il faut amen­er le tho­ri­um à un niveau sub­cri­tique, puis utilis­er une source extérieure de neu­trons pour l’amener à crit­ic­ité et provo­quer la fis­sion. Les lasers pour­raient jouer un rôle-clé dans cet « amont » de la fis­sion, notam­ment parce qu’ils per­me­t­tent un excel­lent niveau de con­trôle. On peut ali­menter con­stam­ment le sys­tème en lumière, un peu comme avec un robinet.

Nom­bre de physi­ciens, dont je suis, sont con­va­in­cus du poten­tiel de la fil­ière tho­ri­um. Au plan sci­en­tifique, tout a été démon­tré. Tech­nique­ment, il y a encore de nom­breux prob­lèmes à résoudre, notam­ment du côté de l’énergie néces­saire pour con­duire à la fis­sion. Mais les lasers peu­vent être une par­tie de la solution.

Auteurs

Gérard Mourou

Gérard Mourou

prix Nobel de physique 2018 et membre du Haut Collège de l’École polytechnique

Gérard Mourou a passé une grande partie de sa carrière aux Etats-Unis, et en particulier à l’Université du Michigan dont il est aujourd’hui professeur émérite. A son retour en France en 2005, il a dirigé le Laboratoire d'optique appliquée (une UMR ENSTA ParisTech/CNRS/École polytechnique) jusqu'en 2008. Gérard Mourou est Chevalier de la Légion d’honneur et a reçu la médaille Frederic Ives décernée en 2016 par l’Optical Society of America et le prix Arthur L. Schawlow in Laser Science de l’American Physical Society en 2018. Gérard Mourou reçoit le prix Nobel de physique en 2018, qui vient couronner une carrière dédiée entièrement aux lasers et à la physique.