Des scientifiques chinois ont récemment publié dans la revue Nature les résultats de leurs recherches sur les batteries à énergie nucléaire. L'équipe du professeur Wang Shu Ao, de l'université de Dongwu (Chine), a ainsi exploité les rayons alpha émis par des isotopes radioactifs pour créer ce type de batterie.

Actuellement, les isotopes radioactifs alpha sont des candidats prometteurs pour les batteries micronucléaires, en raison de leur énergie de désintégration élevée, de 4 à 6 mégaélectronvolts (MeV). L'énergie du rayonnement alpha pourrait largement surpasser celle des dispositifs d'extraction d'isotopes radioactifs bêta. Par ailleurs, l'énergie de désintégration maximale des isotopes radioactifs bêta est de l'ordre de quelques dizaines de kiloélectronvolts (keV).

Bien que son rendement soit 8 000 fois supérieur à celui des batteries conventionnelles, la batterie micronucléaire présente encore des limitations. En effet, sa capacité à pénétrer très brièvement les solides entraîne une importante perte d'énergie des particules alpha par auto-absorption. Selon le professeur Vuong Thu Ao, chef de l'équipe de recherche : « L'effet d'auto-absorption réduit considérablement la capacité réelle de la batterie micronucléaire à isotopes alpha, bien plus que sa capacité théorique. »

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Illustration d'une microbatterie nucléaire créée par des scientifiques chinois. Source photo : SCMP

La conception de cette batterie micronucléaire intègre une couche qui, à l'instar d'une cellule solaire, optimise la conversion du rayonnement alpha. L'équipe a intégré un convertisseur d'énergie : une couche polymère entourant l'isotope, qui transfère l'énergie libérée lors du rayonnement en lumière et en électricité, comme une cellule photovoltaïque.

D'après cette étude, l'utilisation de seulement 11 microcuries (μCi) de la substance radioactive synthétique 243Am a permis au complexe de produire une luminescence à partir des rayons alpha émis lors de la désintégration de cet isotope. Dans une autre expérience, la puissance de luminescence a été mesurée à 11,88 nanowatts (nW), soit un rendement de conversion de l'énergie issue de la désintégration en lumière de 3,43 %.

L'équipe de recherche a indiqué que la batterie nucléaire photovoltaïque, qui convertit le rayonnement en énergie électrique, possède une longue durée de vie et fonctionne indépendamment des variations de température. Plus précisément, la batterie micronucléaire expérimentale présente un rendement de conversion énergétique total de 0,889 % et génère 139 microwatts par curie.

La batterie micronucléaire développée par l'équipe de recherche a été rigoureusement vérifiée par des théories et de nombreuses expériences, démontrant que son efficacité de conversion d'énergie est 8 000 fois supérieure à celle des structures de batteries conventionnelles.

De même, le convertisseur de puissance présente une grande stabilité ; ses paramètres de performance restent quasiment constants pendant plus de 200 heures de fonctionnement continu. La demi-vie de la substance radioactive synthétique étant de 243Am, la batterie micronucléaire possède une durée de vie pouvant atteindre plusieurs siècles.

Structure de la batterie (photo 1), caractéristiques du convertisseur d'énergie (photo 2), résultats de la recherche théorique et expérimentale (photo 3) et résultats des performances de la batterie (photo 4). Source des photos : Laboratoire clé de recherche chinois en médecine nucléaire et radioprotection.

« Il s'agit d'une des avancées majeures dans le domaine des batteries nucléaires de ces dernières décennies », a commenté le China Science and Technology Daily . Ces recherches répondent non seulement aux besoins stratégiques et de sûreté de la Chine en matière d'énergie nucléaire, mais proposent également une nouvelle approche pour la valorisation des déchets nucléaires et des actinides en dehors du cycle du combustible nucléaire.

Le journal SCMP a formulé l'évaluation suivante : « La longue demi-vie et la désintégration alpha de haute énergie de certains isotopes se traduisent par la toxicité radioactive des déchets nucléaires. Cependant, ces isotopes présentent toujours l'avantage d'une longue durée de vie et d'une énergie élevée. »

Le professeur Wang Shu Ao est un scientifique chinois qui a réalisé d'importantes avancées dans les projets de traitement des déchets nucléaires et des eaux usées, ainsi que dans la recherche sur les interventions d'urgence en cas d'accident. Il a consacré de nombreuses années à l'étude des besoins stratégiques de la Chine en matière de développement nucléaire durable et sûr.

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