Brevet FR3142826A1 — publié le 20240607

La présente invention concerne le domaine de l'énergie, plus précisément un dispositif de transmutation d'isotopes radioactifs par faisceaux lasers. Il concerne également le domaine du traitement des déchets nucléaires pour diminuer la radioactivité et/ou la toxicité. Dispositif de transmutation d’isotopes radioactifs par faisceaux lasers. La présente invention concerne le domaine de l'énergie, plus précisément un dispositif de transmutation d'isotopes radioactifs par faisceaux lasers. Il concerne également le domaine du traitement des déchets nucléaires pour diminuer la radioactivité et/ou la toxicité. Etat de l’art : L’homme de l’art sait que pour transmuter des déchets nucléaires il faut déposer une grande quantité de neutrons / de protons / d’énergie sur des isotopes nucléaires. L'approche classique consiste à utiliser des neutrons rapides générés par des réacteurs dit rapides ou un accélérateur spécialisé à puissance élevée et à énergie élevée pour bombarder une cible afin de produire un flux élevé de neutrons qui induiront une transmutation de ces isotopes. Il existe quelques brevets pour décontaminer des déchets nucléaires éventuellement en produisant de l'énergie, à des températures moyennes et dans des dispositifs industriellement évolutifs. Le document WO0129844 concerne la génération d'énergie à partir d'un matériau absorbant l'hydrogène soumis à des impulsions de courant électrique. Le document WO2010058288 propose de générer de l'énergie à partir de réactions nucléaires entre de l'hydrogène et un métal sous induction 1-70000 Gauss et un champ électrique 1-300000 V/m. Le document WO2013/108159 décrit un réacteur nucléaire avec une source de rayonnement pour irradier un mélange colloïdal. Il existe également des ouvrages théoriques sur le sujet (US, FR, CN, RU, …). Cependant, aucun procédé ne permet de traiter de façon satisfaisante tous les déchets nucléaires à moindres coûts. Le dispositif de transmutation d’isotopes radioactifs par faisceaux lasers proposé par l'invention est caractérisé en ce qu'il est constitué par un laser / des lasers pour produire une énergie équivalente à celle de protons relativistes de 0,5 GeV à 1 GeV avec un courant de l'ordre de dizaines de mA. Le présent dispositif apparaîtra mieux à la lecture des figures. La est une vue de dessus d'un mode de réalisation du dispositif de transmutation de déchets nucléaires par faisceaux lasers. La est une vue en coupe d'un mode de réalisation du dispositif de transmutation de déchets nucléaires par faisceaux lasers. Description de l’invention : Il est présenté sur les figures 1 et 2, un dispositif de transmutation d’isotopes radioactifs par faisceaux lasers. Le dispositif de transmutation de déchets nucléaires tels que des déchets de réacteurs nucléaires comprend au moins une source laser à impulsions d'intensité ultra-relativiste susceptible de produire un faisceau laser / des faisceaux lasers d'impulsions laser ultra-courtes ayant une durée de par exemple 30 femtosecondes (fs) et une intensité supérieure à 1000 W / cm 2 de puissance moyenne et d’une puissance de fonctionnement de l'ordre de 20 MW (la puissance peut être supérieure s’il s’agit d’un laser Péta-watt), une cible sur laquelle est focalisé le faisceau laser / les faisceaux lasers et à partir de laquelle est produit un faisceau / des faisceaux d’énergie comprise entre 0,5 GeV à 1 GeV avec un courant par exemple de l'ordre de 20 mA. Le dispositif / l’installation (1000) est protégé par une enceinte de confinement (1101) qui possède une porte pour entrer et sortir les déchets nucléaires à transmuter. Le laser / les lasers (1200) irradie (ent) une cible (1102) où des neutrons de 0,5 à 1 GeV sont spallés. Les neutrons sont dirigés vers les déchets nucléaires (1103) à transmuter, tels que le combustible nucléaire usé, afin de transmuter l'isotope radioactif des déchets, c'est-à-dire les actinides inférieurs, en matériaux ou éléments beaucoup plus sûrs de demi-vie nettement plus courte. Le dispositif comporte également un système de refroidissement non décrit dans le détail. La source laser /lasers comprend un oscillateur adapté pour produire des impulsions courtes de 30 femtosecondes (fs) par exemple et d'énergie de l'ordre du nanojoule (nJ). L'impulsion laser produite est alimentée dans un agencement d'amplificateurs à fibre optique monomode comprenant une multitude de fibres optiques en vue de former un système de réseau d'amplification cohérente fournissant des puissances crêtes et moyennes simultanées avec un rendement de plus de 30 %, c'est-à-dire que le faisceau laser / les faisceaux peut /peuvent avoir une intensité supérieure à 1000 W / cm 2 . Plus précisément, l'impulsion laser produite par un oscillateur traverse un réseau de diffraction qui l’étire. L'étirement sépare les différentes composantes de l'impulsion d'étirement. L'impulsion après étirage est au niveau millijoule (mJ). Les impulsions étirées sont couplées dans un étage amplificateur à multiplicité, par exemple, de 50 fibres, chacune constituant un amplificateur à fibre monomode. Chaque fibre va amplifier l'impulsion d'entrée au niveau millijoule. Les fibres amplifiées sont maintenues pour former un faisceau dans lequel les fibres amplificatrices sont à une distance relativement grande les unes des autres afin de permettre un refroidissement efficace par un milieu de refroidissement approprié pour évacuer la chaleur produite par les fibres. La même opération est répétée dans un deuxième étage amplificateur où chaque amplificateur à fibre du premier étage alimente une multiplicité par exemple de 10 amplificateurs monomodes du même type que ceux du premier étage. Chaque fibre va amplifier l'entrée, qui est une partie correspondante de la sortie de la fibre dont elle est obtenue par fractionnement, au niveau millijoule. Le même processus est répété dans des séries successives d'étages d'amplificateurs. Il résulte de ce qui précède qu'en divisant et en ramifiant chaque impulsion, une matrice de milliers de lasers est obtenue. Dans chaque étage des séries successives d'étages amplificateurs, la phase de chaque impulsion est préservée. Le très grand nombre de fibres combinées et mis en phase les unes avec les autres de manière à former une impulsion unique, qui est comprimée par une paire de réseaux. L'énergie d'impulsion obtenue peut être supérieure à la dizaines de Joules, avec une durée d'impulsion correspondant à la durée d'impulsion initiale de 30 femtosecondes. Les impulsions peuvent être produites à une fréquence de répétition de l'ordre du kHz, par exemple de 10 kHZ à 200 kHz (pour générer des ondes sonores), en raison du refroidissement efficace des amplificateurs à fibre monomode dans leurs différents faisceaux au moyen d'un milieu de refroidissement approprié. La cible solide / liquide / gaz est constituée d'une substance telle que par exemple du carbone, sous la forme d'un film. Le tir produit le flux élevé de haute énergie dans la plage de 0,5 à 1 GeV qui est amené à frapper la cible de spallation afin d'être converti en flux élevé de neutrons énergétiques rapides. Il faut noter que 1 GeV produit sur la cible environ 30 neutrons. Le dispositif propose de combiner un très grand nombre de fibres de façon cohérente dans le système de réseau d'amplification cohérente pour obtenir l’énergie nécessaire à la transmutation. Les amplificateurs à fibre monomode utilisés sont les mêmes dans chaque étage, et sont des composants de télécommunication connus. Le dispositif pour transmuter des déchets nucléaires peut être réalisé sous une forme relativement économique et compact et peut être déplacé facilement. Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comporte une enceinte de confinement (1101), de forme cylindrique, en alliage haute température par exemple FE-Ni-Cr ou Fe-Cr-Mn dont la température de fusion est proche de 1000°C, de 0,5 mètre de hauteur, de 0,5 mètre de diamètre, de 0,05 mètre d’épaisseur. Selon un mode de réalisation de l'invention, l’enceinte de confinement peut être renforcée par une coque en céramique non décrit dans le détail. Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comporte également un système de refroidissement non décrit dans le détail. Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif pour transmuter des déchets nucléaires est caractérisé en ce qu'il est constitué par un accélérateur, piloté par laser / lasers, et adapté pour produire un faisceau de 0,5 GeV à 1 GeV avec un courant de l'ordre de dizaines de mA, tel qu'un courant de 20 mA. Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif pour transmuter des déchets nucléaires est caractérisé en ce qu'il comprend une source d'impulsions laser / lasers adaptée pour produire un faisceau d'impulsions courtes ayant une durée de centaines de femtosecondes et une intensité supérieure à 1000 W / cm 2 avec une puissance moyenne élevée de l'ordre de dizaines de MW et une cible sur laquelle le faisceau laser est focalisé. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif pour transmuter des déchets nucléaires est caractérisé en ce que la durée des impulsions laser / lasers est de l'ordre de 30 femtosecondes. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif pour transmuter des déchets nucléaires est caractérisé en ce que la puissance moyenne élevée est de l'ordre de 20 MW (la puissance peut être supérieure s’il s’agit d’un laser Péta-watt). Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif pour transmuter des déchets nucléaires est caractérisé en ce qu'il comprend un oscillateur à impulsions laser / lasers produisant des impulsions ultracourtes ayant une durée de l'ordre des dizaines de femtosecondes et une énergie de l'ordre des nanojoules et un dispositif amplificateur à fibre optique monomode dans lequel sont introduites les impulsions laser / lasers produites, comprenant une multitude de fibres optiques en vue de former un système de réseau d'amplification cohérente. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif pour transmuter des déchets nucléaires est caractérisé en ce que ledit système de réseau d'amplification cohérente comprend une série d'étages d'amplificateurs successifs comprenant chacun un faisceau d'amplificateurs à fibre monomode, dans lequel les fibres sont espacées les unes des autres en vue de permettre le passage d'un milieu de refroidissement entre eux, le faisceau d'un étage comprenant des fibres qui ont été obtenues par fractionnement des fibres du faisceau d'étages précédent. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif pour transmuter des déchets nucléaires est caractérisé en ce que la cible est une cible solide / liquide / gaz formée par un film d'une substance telle que l'hydrogène, l'hélium ou le carbone. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la source d'impulsions lasers est adaptée pour produire des impulsions laser ayant une fréquence de répétition de l'ordre de 10 kHz à 200 kHz. Le dispositif / l'installation de transmutation de déchets nucléaires est caractérisé (e) en ce qu'elle (il) peut produire le faisceau et une cible de spallation pour produire un faisceau de neutrons de 0,5 GeV à 1 GeV, qui est dirigé vers des déchets nucléaires, ladite cible de spallation étant irradiée par le faisceau. La présente invention peut être modifiée ou adaptée en fonction des besoins. Elle n’est pas limitative à la présentation qui est donnée dans ce texte. Dispositif pour transmuter des déchets nucléaires caractérisé en ce qu'il est constitué par un accélérateur, piloté par laser, et adapté pour produire un faisceau de 0,5 GeV à 1 GeV avec un courant de l'ordre de dizaines de mA, tel qu'un courant de 20 mA. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une source d'impulsions laser adaptée pour produire un faisceau d'impulsions courtes ayant une durée de centaines de femtosecondes et une intensité supérieure à 1000 W / cm 2 avec une puissance moyenne élevée de l'ordre de dizaines de MW et une cible protonique sur laquelle le faisceau laser est focalisé. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une source d'impulsions laser adaptée pour produire un faisceau d'impulsions courtes ayant une durée de 30 femtosecondes et une intensité supérieure à 1000 W / cm 2 avec une puissance moyenne élevée de l'ordre de dizaines de MW et une cible protonique sur laquelle le faisceau laser est focalisé. Dispositif selon l’une quelconque des revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la puissance moyenne élevée est de 20 MW.