Extraction efficace d’actinides tétravalents à partir de solutions nitriques à l’aide d’un liquide ionique spécifique fonctionnalisé par tri-N-octyl méthyl ammonium N-dodécyl sulfate

Nettoyer l’énergie nucléaire

L’énergie nucléaire peut produire de grandes quantités d’électricité sans émettre de gaz à effet de serre, mais elle laisse derrière elle des résidus fortement radioactifs. Certains des métaux présents dans ces déchets, comme le plutonium et l’uranium, sont à la fois dangereux et précieux. Cette étude explore un nouveau liquide plus durable capable d’extraire des métaux spécifiques de solutions radioactives agressives, facilitant le recyclage de matériaux utiles tout en réduisant le fardeau à long terme des déchets nucléaires.

Un liquide de nettoyage sur mesure

Les chercheurs ont conçu un liquide ionique « spécifique à la tâche » — un sel liquide à température ambiante — composé d’ions organiques volumineux. Contrairement aux solvants courants à base d’organismes organiques volatils, les liquides ioniques s’évaporent très peu et peuvent être chimiquement ajustés pour des fonctions particulières. Ici, l’équipe a greffé un groupe de type détergent, le dodécyl sulfate, sur un ion ammonium encombrant, créant un fluide visqueux de couleur paille. Cette queue détérgente est similaire aux agents nettoyants utilisés dans les shampoings et les savons, mais dans ce cas elle est ancrée de façon permanente au liquide ionique, transformant toute la molécule en un puissant extracteur d’ions métalliques dissous dans l’eau acide.

Comment il saisit les métaux nucléaires

Le combustible nucléaire usé est généralement dissous dans l’acide nitrique, formant un mélange d’espèces métalliques et de formes moléculaires variées. Le nouveau liquide ionique a été testé sur trois actinides clés : le plutonium en état +4, l’uranium en état +6 et l’américium en état +3. En ajustant soigneusement la force acide, les auteurs ont montré que le plutonium change de formes — passant d’ions simples chargés à des complexes nitrates plus élaborés — et que ces transformations influent fortement sur son transfert vers le liquide ionique. À des niveaux d’acidité moyens à élevés, le liquide forme des complexes stables avec des unités contenant du plutonium, les entraînant dans la phase ionique, tout en laissant la majeure partie de l’américium en solution aqueuse et en extrayant seulement des quantités modérées d’uranium.

Choisir ses favoris : le plutonium plutôt que l’uranium et l’américium

Un résultat central est l’extraordinaire sélectivité du liquide. Dans des conditions optimisées, le plutonium a été extrait des milliers de fois plus fortement que l’uranium, et jusqu’à cent mille fois plus fortement que l’américium. Cela dépasse de loin de nombreux systèmes extractifs conventionnels utilisés aujourd’hui en retraitement. Les auteurs attribuent ce comportement à la façon dont les têtes chargées du liquide ionique et leurs queues à base de sulfate enveloppent différents complexes nitrates de plutonium, créant des arrangements de liaison très favorables. L’uranium, qui adopte d’autres géométries en solution, s’ajuste moins bien, et l’américium interagit à peine, restant principalement dans la phase aqueuse. Cette « préférence » naturelle permet de séparer le plutonium des autres actinides par un procédé liquide–liquide relativement simple.

Lent mais puissant, et réutilisable

Le nouveau liquide est visqueux, ce qui ralentit la diffusion des métaux en son sein, si bien qu’environ une heure est nécessaire pour chaque étape d’extraction — plus long que pour des solvants conventionnels plus légers. Toutefois, la complexation libère beaucoup de chaleur, ce qui signifie qu’une fois le plutonium ou l’uranium capturé, les complexes sont assez stables. L’équipe a aussi étudié comment récupérer les métaux du liquide ionique, une étape importante pour le recyclage. De simples modifications d’acidité n’étaient pas suffisantes, mais des solutions douces d’acide oxalique ou de carbonate de sodium, appliquées en plusieurs contacts, ont permis d’arracher presque tout le plutonium et l’uranium chargés. Le liquide ionique a ensuite pu être réutilisé pendant au moins cinq cycles extraction–désexcation avec une perte de performance seulement mineure.

Résister aux radiations — et ses limites

Comme les flux de déchets nucléaires sont fortement radioactifs, le solvant lui‑même doit supporter un bombardement par des particules à haute énergie. Les auteurs ont exposé le liquide ionique à des doses très élevées de rayons gamma et ont constaté que, bien que son pouvoir extractif ait progressivement décliné — d’environ un tiers à près de la moitié pour l’uranium à la dose la plus élevée —, l’ossature moléculaire principale restait intacte selon les mesures infrarouges et par RMN. On s’attend à une certaine dégradation en amines plus petites, hydrocarbures et fragments de sulfate, mais le matériau a continué de fonctionner de façon raisonnable même après un traitement sévère.

Pourquoi cela compte pour les déchets nucléaires

Pour un non‑spécialiste, le message clé est que les chercheurs ont créé un « solvant sur mesure » hautement sélectif et relativement robuste capable d’extraire le plutonium des déchets nucléaires acides plus efficacement que de nombreuses technologies actuelles, tout en utilisant un liquide qui n’évapore pas et ne s’enflamme pas facilement. En privilégiant le plutonium par rapport à l’uranium et l’américium, et en opérant dans des conditions proches de celles des déchets de haut niveau réels, ce liquide ionique pourrait aider de futures filières de recyclage à récupérer des matériaux stratégiques et à réduire la radioactivité à long terme à stocker. Des défis subsistent — en particulier l’accélération du procédé et l’amélioration de la résistance aux radiations —, mais le travail ouvre la voie à une chimie plus propre et plus durable pour gérer les résidus les plus difficiles de l’énergie nucléaire.

Citation: Chowta, S.D., Sengupta, A. & Mohapatra, P.K. Efficient extraction of tetravalent actinide from nitric acid feeds using tri-N-octyl methyl ammonium N-dodecyl sulphate functionalized task-specific ionic liquid. npj Mater. Sustain. 4, 14 (2026). https://doi.org/10.1038/s44296-025-00094-4

Mots-clés: liquides ioniques, déchets nucléaires, séparation du plutonium, extraction par solvant, chimie des actinides