Le projet de STNF explore la viabilité d’utiliser le rayonnement bêta émis par le tritium pour alimenter des piles à basse tension.
La plupart d’entre nous qui travaillons dans l’industrie nucléaire avons une compréhension fondamentale du fonctionnement d’un réacteur nucléaire : la fission nucléaire engendre de la chaleur qui sert à produire de la vapeur, laquelle fait tourner la turbine qui génère de l’électricité. Or, il y a une autre façon d’appliquer la science et la technologie nucléaires à la production d’électricité. Les LNC étudient actuellement la viabilité de cette autre technologie dans le cadre d’un projet administré dans le cadre du Plan de travail en science et technologie nucléaires fédérales (STNF) d’Énergie atomique du Canada limitée (EACL).
Il s’agit d’un dispositif bêtavoltaïque, plus précisément d’une pile au tritium. Le tritium est un isotope radioactif de l’hydrogène, un sous-produit des réacteurs CANDU®, que les LNC connaissent très bien. Les Laboratoires de Chalk River abritent notre installation de tritium, un laboratoire de recherche construit à l’origine pour soutenir la recherche liée à l’exploitation sécuritaire du parc nucléaire du Canada et le programme canadien de fusion, mais qui a pris de l’expansion pour inclure d’autres activités de recherche et développement.
Le tritium se désintègre par émission bêta, ce qui signifie que son noyau éjecte un électron de faible énergie. On peut exploiter ce rayonnement pour générer de petites quantités d’électricité, par un processus appelé conversion bêtavoltaïque. Le processus est très semblable à d’autres technologies de conversion de l’énergie que nous connaissons tous, mais comporte des différences importantes.
« La conversion bêtavoltaïque fonctionne de manière analogue à un panneau solaire », explique Jayeshkumar Patel, chercheur scientifique à la Direction des technologies de l’hydrogène des LNC. « Dans cet exemple, les piles solaires absorbent la lumière et la transforment en énergie à l’aide d’un semi-conducteur. Dans le cas d’une pile au tritium, nous utilisons un semi-conducteur similaire, mais nous utilisons le rayonnement bêta émis par le tritium plutôt que la lumière du soleil comme source d’énergie. »
Bien que l’énergie émise par le tritium soit modeste — nous parlons de microwatts —, elle a ses avantages. Par rapport à une cellule solaire qui ne produit de l’énergie que le jour, le rayonnement émis par le tritium est constant jour et nuit. Et avec une demi-vie d’environ 12,5 ans, les piles au tritium pourraient théoriquement générer une faible puissance sans interruption pendant plus de 20 ans.
Ce type de technologie pourrait avoir de nombreuses applications. Par exemple, M. Patel croit que ces piles pourraient être utilisées pour alimenter des capteurs sans fil dans de petits réacteurs modulaires (PRM) déployés dans des régions éloignées et difficilement accessibles. Cette technologie présente également un grand potentiel pour la défense, l’espace et d’autres applications à distance (comme les profondeurs des océans) où il n’est pas possible de remplacer fréquemment la source d’énergie. Si l’on peut accroître la tension électrique, une autre fonction intéressante pourrait être l’alimentation par des piles au tritium des stimulateurs cardiaques, un petit appareil utilisé pour réguler le rythme cardiaque des personnes souffrant d’arythmie.
Selon M. Patel, « les stimulateurs cardiaques doivent être implantés chirurgicalement dans la poitrine d’un patient, de sorte qu’il est idéal d’alimenter ces appareils avec une source d’énergie fiable qui fonctionnera en toute sécurité pendant des décennies. Beaucoup de gens aux LNC savent déjà que les électrons bêta ne se propagent pas très loin, ils peuvent être freinés par quelque chose d’aussi mince qu’un morceau de papier. Le tritium peut donc être confiné en toute sécurité dans ces appareils et leur servir éventuellement de source d’énergie. »
M Patel déclarait : « nous explorons l’utilisation du rayonnement bêta pour produire directement de l’électricité au moyen d’un semi-conducteur, comme nous venons de le décrire, mais une autre méthode est également à l’étude. Dans cette méthode le rayonnement bêta est converti en lumière qui, à son tour, alimente une cellule solaire qui génère de l’électricité. Il s’agit d’une étape supplémentaire du processus, mais elle permet de relever certains défis techniques associés à la conversion directe. »
Pour effectuer ces essais, les LNC ont construit une cuve fermée où les chercheurs ont placé ces appareils, pour les soumettre au rayonnement émis par le tritium, ce qui leur a permis de faire des mesures in situ. Ils ont ainsi pu mesurer avec précision la dégradation des matériaux et évaluer comment ils résistent dans ces conditions. Après quelques années, M. Patel croit que les données pourront être utilisées en parallèle avec la modélisation pour déterminer la viabilité de la pile pendant toute sa durée de vie.
