Si les énergies vertes continuent à augmenter plus rapidement que tout autre segment dans le secteur de l'énergie, elles restent encore nettement en deçà des options énergétiques conventionnelles à fortes émissions de carbone en raison d'obstacles en termes d'efficacité et de capacité. Ces limites empêchent l'énergie verte de devenir une option prédominante et d'être adoptée de façon globale. Quelle autre forme d'énergie évolutive, sans émission de CO₂ pourrait nous aider à combler les lacunes en attendant que l'énergie verte devienne une réalité à grande échelle pour nous ? Le profil sans carbone de l'énergie nucléaire, son efficacité prouvée et son évolutivité pourraient-ils faire de l'énergie nucléaire une candidate de transition et éventuellement une autre option d'énergie viable et largement acceptée à l'avenir ?

Outre leur empreinte à zéro émission, les 450 centrales nucléaires environ de la planète fonctionnent aujourd'hui au maximum de leur capacité plus de 90 % du temps, contre 50 % pour les centrales à charbon et 25 % pour les centrales solaires. Pourtant, les centrales nucléaires ne fournissent qu'environ 10 % de l'électricité consommée dans le monde (Figure 1). Pourquoi l'énergie nucléaire ne s'est-elle pas développée plus vite au fil des années ?

Même s'il s'agit d'une option de production d'énergie éprouvée et économique, l'énergie nucléaire est victime d'une image controversée en raison des risques associés à la radioactivité et à son impact sur l'environnement. Les accidents de Tchernobyl et Fukushima nous ont rappelé que la fission atomique requiert un contrôle et une vigilance sans faille et que de petits incidents peuvent se transformer en catastrophes majeures.

Réactions nucléaires et radioactivité

Avec plus de 18 000 années-réacteurs d'expérience, la technologie des réacteurs nucléaires est bien établie, diversifiée et bénéficie de décennies d'améliorations technologiques qui rendent les réacteurs plus sûrs, plus fiables, durables et efficaces.

Pour générer de l'électricité, les centrales nucléaires utilisent un mélange d'isotopes d'uranium, principalement de type ²³⁸U et ²³⁵U, comme combustible.La plupart des centrales nucléaires commerciales utilisent de l'uranium faiblement enrichi (UFE), c'est-à-dire de l'uranium ²³⁵U enrichi de 3 à 5 %, par opposition à l'uranium hautement enrichi (UHE) qui utilise des concentrations de ²³⁵U atteignant environ 90 %, soit le niveau nécessaire pour la production d'armes nucléaires.  

Une fois dans le réacteur en tant que combustible UFE, l'uranium ²³⁵U et ²³⁸U suivent deux parcours de transformation atomique différents, comme l'illustre la Figure 3.En capturant un neutron, comme dans le cas du ²³⁸U qui se transforme en ²³⁹Pu fissile, le ²³⁹Pu et le ²³⁵U subissent une fission qui les divise en plus petits noyaux, c'est-à-dire en produits de fission. Les réactions de fission libèrent également chacune trois neutrons et une quantité d'énergie considérable sous la forme de chaleur et de rayonnements ionisants.

Cette transformation, ou décomposition nucléaire, est à la fois une bénédiction et une malédiction. Une bénédiction, parce que par rapport au petit volume de combustible utilisé, elle produit d'énormes quantités d'énergie qui seront extraites par des échangeurs thermiques et des turbines à eau à haute pression pour produire de l'électricité. Une malédiction, parce que la transmutation associée à la décomposition atomique produit aussi des rayonnements et des particules ionisantes, collectivement appelées radioactivité. La radioactivité dans le réacteur pour la production d'électricité est désirable, mais cette radioactivité reste présente dans les déchets de combustible, appelés « combustibles usés » et peut être nocive si elle n'est pas contenue et contrôlée.

Au bout de 3 à 5 ans d'activité nucléaire continue dans un réacteur, la concentration de combustible dans les isotopes fissiles passe sous le niveau minimum pour entretenir une réaction en chaîne à des fins de production d'électricité. Le combustible usé est déchargé du réacteur et classé comme déchets radioactifs de haute activité (DRHA). Les DRHA ne représentent que 3 % du volume total des déchets radioactifs, mais 95 % de la radioactivité totale des déchets. Par conséquent, les DRHA sont au cœur des stratégies de gestion des déchets radioactifs dans le monde entier.   

Une centrale nucléaire moyenne, d'une capacité de 1000 MWe (suffisante pour alimenter en électricité plus d'un million de personnes), produit 25 à 30 tonnes de DRHA par an et zéro émission de carbone. Une centrale à charbon libère chaque année 300 000 tonnes de cendre et plus de 6 millions de tonnes de CO₂ dans l'atmosphère. Toutefois, la réduction de l'empreinte carbone et de la puissance radioactive des déchets nucléaires par un retraitement et la réutilisation du combustible usé résoudrait un problème complexe lié à la gestion des déchets dangereux.

Options de recyclage du combustible nucléaire usé

La technologie de retraitement du combustible nucléaire usé existe depuis la fin des années 1940. Elle est bien comprise et a fait ses preuves techniquement, mais seuls quelques pays ont investi dans le retraitement. La France et la Russie sont les deux principaux pays qui retraitent et réutilisent le combustible usé. En moyenne, environ 95 % des déchets de combustible usé sont composés d'uranium (principalement du ²³⁸U), auquel s'ajoute 1 % de plutonium et un certain nombre de produits de fission de numéro atomique moins élevé et d'actinides mineurs (Figure 4). La technologie de retraitement du combustible usé permet de séparer les isotopes d'uranium et de plutonium d'autres actinides et produits de fission.  

L'option de retraitement prédominante est appelée PUREX (plutonium and uranium reduction extraction). La méthode PUREX utilise la technologie de séparation hydrométallurgique pour séparer le combustible usé en trois phases :

1. Isotopes d'uranium
2. Isotopes de plutonium
3. Produits de fission avec des actinides mineurs

Cette troisième phase est considérée comme des DRHA en raison de la présence de ces actinides mineurs et de produits de fission hautement radioactifs à vie moyenne (c'est-à-dire le ⁹⁰Sr et le ¹³⁷Cs avec des demi-vies radioactives d'environ 30 ans). L'avantage principal de la technique PUREX est qu'elle permet de recycler de gros volumes d'uranium utilisable qui seraient autrement considérés comme des déchets et de réduire considérablement le volume de DRHA.

Bien que la méthode PUREX réduise le volume de déchets, elle ne traite pas leur radioactivité. De plus, la séparation du ²³⁹Pu d'autres actinides génère des préoccupations quant à la prolifération des armes nucléaires.

Des variantes du processus PUREX ont été proposées et mises en œuvre dans le monde entier pour traiter la radioactivité des DRHA et les risques de prolifération du plutonium. Ces variantes de PUREX consistent à mélanger le ²³⁹Pu avec des actinides mineurs qui l'empêcheraient d'être transformés en armes tout en créant un mélange acceptable de combustible d'actinides retraité. D'autres variantes consistent à mélanger l'uranium, le plutonium et tous les transuraniens (éléments dont le numéro atomique est supérieur à celui de l'uranium), en laissant les produits de fission comme seuls déchets.

Le recyclage des DRHA est justifié lorsqu'on considère que plus de 90 % de l'uranium n'est « pas consumé » lorsque les barres de combustible usé sont déchargées du réacteur. Le recyclage de l'uranium et du plutonium inutilisés permet de générer 25 à 30 % d'électricité en plus. Fin 2020, 400 000 tonnes de combustible usé avaient été générées dans le monde par les réacteurs nucléaires commerciaux, dont environ 120 000 tonnes (30 %) ont été retraitées et réutilisées comme combustible nucléaire.  

Progrès dans la conception des réacteurs numériques

Les progrès récents dans la conception des réacteurs nucléaires ont amélioré l'efficacité et la sécurité de la production d'énergie. La Collection de contenus CAS™ révèle une augmentation significative de l'activité des brevets et des journaux depuis 2018, ce qui indique un regain d'intérêt, principalement sous l'impulsion des entreprises asiatiques (Figures 5a et 5b).  

La Figure 6 présente le volume de publication associé aux nouvelles conceptions avancées de réacteurs nucléaires. Les données confirment une activité de recherche croissante autour de ces nouvelles technologies de réacteurs nucléaires.  

Potentiel futur de l'énergie nucléaire

La renaissance de l'énergie nucléaire est un thème récurrent, mais plusieurs obstacles et défis la rendent encore difficile pour permettre à l'énergie nucléaire de répondre aux espoirs et aux promesses qu'elle a générés il y a des décennies. L'investissement initial considérable, les réglementations changeantes, les dépassements de coûts et la polarisation politique ont fait de la livraison des centrales nucléaires un parcours tortueux qui s'étire sur des décennies. Cela s'est avéré très dissuasif pour les gouvernements et les investisseurs qui redoutent d'investir dans l'énergie nucléaire, même si ses avantages et son potentiel sont prouvés et indéniables. Un récent article du Wall Street Journal traite également de certains de ces enjeux ainsi que des développements récents dans le domaine des technologies nucléaires.

Le besoin de sources d'énergie sans carbone, les progrès des nouvelles technologies de réacteurs nucléaires et les nouvelles alternatives de recyclage et de réutilisation du combustible usé pourraient propulser l'énergie nucléaire parmi les outils majeurs de lutte contre le changement climatique mondial.

Remerciements à Elaine McWhirter pour ses conseils scientifiques.

Références pour l'animation nucléaire

AIE, Perspectives sur l'énergie mondiale. https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2022 (consulté le 09/01/2023)

World Nuclear Association. https://world-nuclear.org/nuclear-essentials/how-can-nuclear-combat-climate-change.aspx (consulté le 09/09/2022)

NEK. https://www.nek.si/en/longevity-for-sustainability/production-performance/high-energy-density-of-uranium-is-one-of-key-advantages-of-nuclear-energy (consulté le 09/09/2022)

World Nuclear Association. https://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/fuel-recycling/processing-of-used-nuclear-fuel.aspx (consulté le 09/09/2022) AIE,

Perspective sur l'énergie mondiale. https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2022 (consulté le 09/01/2023)

Examen des méthodes actuelles et des développements mondiaux

Aujourd'hui, on estime que seulement 5 % des batteries lithium-ion sont recyclées dans le monde, ce qui entraîne des conséquences environnementales et financières dramatiques pour les 8 millions de tonnes de déchets prévus. Alors que les défis du recyclage vont de l'aspect financier à l'élaboration de politiques, ce livre blanc se penche sur les défis scientifiques et le paysage de la recherche émergent autour de cette énorme opportunité.  

Alors que près de 10 % des combustibles fossiles du monde sont consacrés à la production de plastiques, une alternative viable aux plastiques à base de combustibles fossiles a constitué un objectif essentiel au cours des 20 dernières années. Les polymères d'origine biologique, issus de ressources de biomasse renouvelable, ont attiré une grande attention en tant que solution de remplacement idéale. Ces polymères ont été utilisés pour créer des bioplastiques, qui représentent une alternative prometteuse et durable aux plastiques à base de pétrole et pourraient même profiter aux pays qui dépendent fortement de pétrole importé.

Ce manuscrit de journal publié dans ChemRxiv décrit les trois types de polymères d'origine biologique, leurs points forts et leurs faiblesses, les derniers progrès de la recherche et les tendances dans ce domaine d'étude. Dans la mesure où le sujet des bioplastiques est souvent considéré avec scepticisme par le public, sans doute en raison d'informations erronées, cet article a pour but de clarifier ce sujet et de susciter une prise de conscience de l'importance des polymères d'origine biologique pour la durabilité.

Les modèles d'apprentissage automatique, qui utilisés dans le cadre d'applications de planification de la synthèse, sont largement limités à la chimie observée lors de l'apprentissage : on constate alors que la précision et la diversité de leurs prédictions sont souvent réduites dans les sous-espaces chimiques peu peuplés. En mesurant comment différents ensembles de données affectent les performances des modèles entrainés, nous sommes en mesure d'affirmer avec plus de force des informations en lien avec la couverture et la nouveauté attendues des solutions de planification de la synthèse. En parallèle, nous concevons des ensembles de données qui rendront plus accessibles des domaines scientifiques auparavant complexes.

Dans cette étude, les scientifiques de Bayer démontrent l'impact considérable des réactions sélectionnées par les scientifiques dans CAS Collection de contenus sur le pouvoir prédictif d'un modèle de planification de la synthèse. La précision de la prédiction des résultats dans des classes réactionnelles rares a augmenté de manière significative (32 points de pourcentage), permettant ainsi de développer la compréhension des notions nouvelles et utiles en chimie.

Pour un aperçu unique d'un domaine scientifique émergent, ce livre blanc de CAS présente différents types de réactions, d'applications et de tendances bioorthogonales trouvées dans CAS Collection de contenus™. La chimie bioorthogonale permet d'approfondir la compréhension de la structure et de la fonction de nos systèmes biologiques, et met en évidence la manière dont les applications de développement, d'administration et d'imagerie des médicaments pourraient être optimisées à l'avenir.

Alors que plus de 90 % des plastiques produits dans le monde requièrent des combustibles fossiles, les polymères d'origine biologique générés à partir de sources renouvelables présentent des avantages majeurs par rapport aux plastiques traditionnels en réduisant les émissions de CO2, en augmentant la biodégradabilité et en allégeant la dépendance aux combustibles fossiles. Pour en savoir plus, découvrez notre panorama de ce domaine émergent.

La durabilité du système mondial de brevets est sous pression en raison de la croissance rapide du volume et de la complexité des demandes de brevet. Dans les pays où la croissance est la plus rapide, les manques de capacités qui en résultent retardent l'examen des brevets, parfois de plusieurs années, exposent la qualité des brevets à des risques et menacent de ralentir le rythme de l'innovation et de l'investissement.

Ce livre blanc examine les défis et les opportunités pour les offices des brevets qui cherchent à garantir la durabilité et à planifier leur croissance future en s'attachant à l'application de solutions de gestion de flux de travail assistées par intelligence artificielle pour améliorer la productivité. Cela englobe les enseignements tirés de la collaboration entre CAS et l'Institut National de la Propriété Intellectuelle (INPI) du Brésil pour gérer ses arriérés de dépôts de brevets et améliorer l'efficacité des flux de travail d'examen, afin d'aboutir en définitive à des améliorations opérationnelles notables.

• Jusqu'à 50 % de réduction du temps d'examen
• 77 % de tous les dépôts de brevets nationaux traités nécessitent moins de temps de recherche de la part des examinateurs
• 29 % de l'ensemble des dépôts de brevets nationaux traités ont nécessité peu, voire aucune recherche supplémentaire
• Les charges de travail ont été gérées efficacement sans requérir de personnel supplémentaire
• Les examinateurs étaient plus libres pour s'adonner à d'autres priorités
• Les améliorations de productivité ont contribué à une réduction de 80 % des arriérés de l'office

Dans le cadre de l'objectif largement publié de « zéro » émission de carbone d'ici 2050, l'intérêt pour la capture, le stockage et la réduction du carbone et pour la lutte contre le changement climatique est un domaine émergent de la science qui aura des implications stratégiques pour les générations futures. Dans notre panorama, découvrez cette recherche émergente offrant des perspectives uniques et des opportunités futures.

La dégradation ciblée des protéines est une nouvelle stratégie de découverte de médicaments en évolution rapide. Il s'agit d'un nouveau moyen d'utiliser des protéines provoquant la maladie pour attaquer des pathologies graves, qui pourrait être utilisée contre des maladies plus sérieuses comme le cancer ou les maladies neurodégénératives.

L'étude de l'American Chemical Society utilise CAS Collection de contenus et la recherche récente sur les agents de dégradation des protéines pour fournir une perspective plus nuancée sur la colle moléculaire en tant qu'outil pour la découverte de nouveaux médicaments. Elle analyse les avantages et les inconvénients de la colle moléculaire en tant que référence pour soutenir des recherches plus avancées.

Au cours des 20 dernières années, les progrès de l'intelligence artificielle (IA), en particulier de l'apprentissage machine, ont transformé notre approche de la recherche scientifique. De la cartographie des séquences du génome et de la découverte de nouveaux antibiotiques à la modélisation des impacts du changement climatique sur la terre et même à la cartographie de la galaxie pour rechercher des planètes similaires à la terre, l'IA transforme la recherche dans une multitude de disciplines.

La chimie est l'un de ces domaines de la science qui progressent à grands pas dans l'adoption de l'IA. Notre tout dernier livre blanc, « L'intelligence artificielle en chimie : panorama actuel et opportunités futures », explore le lien entre l'IA et la chimie en utilisant nos propres technologies pour cartographier les paysages des publications et des brevets. Nous avons découvert les domaines de la chimie qui sont en pointe dans l'IA et ceux qui ont le plus fort potentiel d'être dynamisés par l'adoption de la technologie de l'intelligence artificielle.

Dans quels domaines de la chimie l'IA a-t-elle progressé ?

Le nombre de publications et de brevets de chimie impliquant l'IA a explosé et a été multiplié par six au cours de la période 2015 - 2020. Nous avons identifié les principales disciplines qui contribuent aux publications et aux brevets liés à l'IA et les avons comparées pour comprendre quels domaines profitent de cette technologie émergente. Les disciplines de pointe dans l'adoption de l'IA comprennent la chimie analytique, la biochimie, la chimie industrielle et le génie chimique, tandis que les domaines qui devraient adopter l'IA englobent la chimie des produits naturels et la chimie organique (figure 1).

Nous avons exploré les relations entre ces publications et les brevets de 2000 à 2020 pour comprendre en quoi l'utilisation de l'IA a aidé les chercheurs à résoudre des problèmes (figure 2). Par exemple, du début des années 2000 à 2014, la cible des publications et des brevets concernant l'IA est passée de l'exploration des diagnostics de maladie chez les humains aux algorithmes génétiques et à leur application à la découverte de médicaments et aux micro-ARN.

Récemment, alors que les types de problèmes nécessitant des solutions ont changé, les publications et les brevets se sont davantage orientés vers la méthylation de l'ADN et le cancer. Plus récemment encore, l'accent s'est orienté vers la découverte de médicaments liés à la COVID-19.

Il n'est pas surprenant de noter que notre recherche a également révélé que les petites molécules étaient l'élément le plus important dans les publications et les brevets concernant l'IA qui ont été analysés. Cela englobe des sujets liés à la découverte de médicaments, à la rétrosynthèse et à l'optimisation des réactions, reflétant les pays où les investissements des laboratoires pharmaceutiques sont les plus importants.

Où sont les opportunités d'apprentissage machine en chimie ?

Dans notre analyse de plus de 70 000 publications, nous avons examiné les contributions interdisciplinaires, en notant les disciplines primaires et secondaires (figure 3). Cela nous a permis de tracer chaque discipline sur une carte thermique sur laquelle l'intensité des couleurs reflète la force de la contribution pour chaque discipline. En un coup d'œil, on peut voir les domaines d'étude en chimie qui sont en pointe avec l'IA et ceux qui n'ont pas encore pleinement atteint leur potentiel.

Par exemple, les publications multidisciplinaires sont plus courantes en chimie analytique et en biochimie, où les algorithmes d'apprentissage machine sont utilisés pour améliorer l'analyse des protéines, des peptides, des lipides et des acides nucléiques, ainsi que pour prévoir les réactions chimiques et même découvrir de nouvelles molécules. L'IA est aussi largement utilisée dans la science des matériaux et la chimie physique, où les deux disciplines visent à prédire les matériaux fonctionnels, les relations entre structure et propriétés et l'optimisation des processus chimiques.

Les obstacles à l'adoption de l'IA en chimie

Les experts de premier plan ont discuté des obstacles potentiels à l'adoption de l'IA dans notre webinaire, l'intelligence artificielle en chimie : tendances actuelles et opportunités futures. Ils ont identifié trois obstacles clés à l'adoption de l'IA en chimie :

Qualité des données : les prédictions optimales dépendent de jeux de données robustes et de haute qualité qui fournissent à la fois des exemples positifs et négatifs pour l'entraînement. L'accès, la normalisation et la préparation des données est un défi significatif aujourd'hui pour de nombreuses organisations.

Technologie : malgré les améliorations apportées à la puissance de calcul (approches quantiques et cloud), les utilisateurs perçoivent encore des limites. Toutefois, les progrès récents dans les logiciels et les interfaces utilisateurs suppriment les exigences de programmation pour permettre à davantage de scientifiques d'utiliser l'apprentissage machine dans leurs recherches.

Pénurie de talents : la science des données souffre d'une pénurie de talents bien documentée, et les chimistes ne comprennent peut-être pas toujours à quel point l'IA est devenue abordable. La collaboration croissante entre la chimie et les autres disciplines scientifiques peut contribuer à accélérer l'intégration de l'IA.

Une opportunité de croissance de l'apprentissage machine en chimie

L'IA et les jeux de données d'entraînement sont utilisés pour résoudre les problèmes et innover dans les institutions scientifiques du monde entier en présentant une opportunité majeure pour l'analyse des données et la découverte de médicaments.

Notre livre blanc récent décrivait plusieurs domaines de la chimie susceptibles de bénéficier des investissements dans la technologie de l'IA. Les obstacles à l'adoption n'ont jamais été aussi faibles et les partenaires comme CAS peuvent favoriser l'accès à de vastes jeux de données de qualité pour réaliser des analyses. Il est possible de résoudre certains des problèmes les plus pressants et d'effectuer de grands pas en avant au-delà de ce qui est possible avec l'analyse des données traditionnelle par le biais de l'intégration de l'intelligence artificielle à la recherche scientifique.

Découvrez l'intégralité de notre analyse et les enseignements que nous en avons tirés en lisant notre livre blanc ou contactez-nous pour savoir comment l'IA peut favoriser vos activités de recherche.