Un nouveau matériau peut dissiper les gaz des déchets nucléaires
La structure cristalline de SBMOF-1 (vert = Ca, jaune = O, gris = C, blanc = H) © B. Smit/EPFL
Une équipe internationale de scientifiques à l'EPFL et aux Etats-Unis a découvert un matériau qui permet d'évacuer les déchets radioactifs des centrales nucléaires de manière plus efficace, plus sûre et moins coûteuse que les méthodes courantes.
L'énergie nucléaire est une des alternatives les moins chères aux carburants fossiles basés sur le carbone. Mais les usines de retraitement des combustibles nucléaires génèrent des effluents gazeux dont la gestion est actuellement trop coûteuse et dangereuse. Après avoir passé au crible des centaines de milliers de matériaux, des scientifiques dirigés par l'EPFL et leurs collègues américains viennent de découvrir un matériau capable d'absorber les gaz résiduels des déchets nucléaires d'une manière plus efficace, moins chère et plus sûre. Ces travaux sont publiés dans Nature Communications.
Les usines de retraitement des déchets nucléaires génèrent des radionucléides volatils tels que le xénon et le krypton, qui s'échappent dans les effluents gazeux de ces usines – les gaz émis comme sous-produits du processus chimique. Les méthodes couramment utilisée pour capturer et éliminer ces gaz impliquent une distillation à très basse température, ce qui est coûteux à la fois en termes d'énergie et d’argent, et présente un risque d'explosion.
Des scientifiques conduits par le laboratoire de Berend Smit à l'EPFL (Sion) et des collègues aux Etats-Unis, viennent d'identifier un matériau pouvant être utilisé comme une alternative efficace, bon marché et plus sûre pour séparer le xénon et le krypton à température ambiante. Le matériau, abrégé SBMOF-1, est un cristal nanoporeux et appartient à une classe de matériaux utilisés actuellement pour éliminer les émissions de CO2 et d'autres polluants dangereux. Ces matériaux sont également très versatiles, les scientifiques peuvent les modifier pour qu'ils s'assemblent en structures cristallines ordonnées et pré-déterminées. Ainsi, ils peuvent synthétiser des millions de matériaux faits sur mesure, qui peuvent être optimisés pour la séparation de gaz, la catalyse, la détection chimique et l'optique.
Les scientifiques ont procédé à une sélection poussée dans de grandes bases de données de matériaux, sur plus de 125'000 candidats. Pour ce faire, ils ont eu recours à des simulations moléculaires pour trouver des structures capables de séparer le xénon et le krypton, et dans des conditions comparables à celles du retraitement des déchets nucléaires.
Du fait que le xénon a une demi-vie beaucoup plus courte que le krypton – un mois contre une décennie – les scientifiques devaient trouver un matériau qui serait sélectif pour les deux, mais qui pourrait les capturer séparément. Comme le xénon est utilisé dans l'éclairage commercial, la propulsion, l'imagerie, l'anesthésie et l'isolation, il peut aussi être revendu sur le marché de la chimie pour réduire les coûts.
Les scientifiques ont constaté et confirmé que SBMOF-1 présente de remarquables capacités de capture et de sélectivité xénon/krypton dans des conditions de centrale nucléaire à température ambiante.
Ce travail résulte d'une collaboration entre le Laboratoire de simulation moléculaire de l'EPFL, le Pacific Northwest National Laboratory (Washington), University of California Berkley, Stony Brook University, Brookhaven National Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory, and l'IMDEA Materials Institute (Espagne). Il a été financé par le Département américain de l'énergie (Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, and National Energy Research Scientific Computing Center).
Référence
Banerjee D, Simon CM, Plonka AM, Motkuri RK, Liu J, Chen X, Smit B, Parise JB, Haranczyk M, Thallapally PK. Metal–organic framework with optimally selective xenon adsorption and separation. Nature Communications 7:11831. DOI: 10.1038/ncomms11831